Перейти к содержимому

31. Порывы, турбулентность, срыв и винт (безопасность) #

mod. Понедельник, 21 сентября 2026 19:57 . См. 69

Два режима, которые приводят к авариям чаще, чем отказы оборудования: срыв (stall) и вход в винт (spin) — плюс их питательная среда, порывы и турбулентность. Показываем, как порыв нагружает крыло, что происходит с мультиротором при срыве лопастей и какие запасы обеспечивают удержание БПЛА (беспилотный летательный аппарат) в горизонте.

Содержание

1. Цели статьи

  • Оценивать прирост нагрузки от вертикального порыва: \(\Delta n \approx \frac{2\,\Delta V}{V}\).
  • Знать признаки приближения к срыву (stall, рисунок — Wikipedia) / Сваливание и стандартную схему восстановления.
  • Различать классический винт (spin, рисунок — Wikipedia) / Штопор (пилотаж) у крыла и то, что происходит с мультиротором в аналогичных ситуациях.
  • Применять ветровые лимиты и запас батареи как часть «аэродинамической» безопасности.
Что особенно важно запомнить:
  1. Срыв — это не «низкая скорость», а большой угол атаки: крыло срывается на любой скорости — в вираже (статья 30), на наборе, в порыве. Запас считают по нагрузке, а по скорости — только «для удобства» (задача 5).
  2. Летают при \(V \geq 1{,}2\cdot V_{ср} \): тогда запас по нагрузке (V/Vср)² − 1 = 44 %, и вертикальный порыв \(\Delta V = 20 \% \) от V крыло переносит с запасом; при \(V = 12\ \text{м/с} \) (наш опорный аппарат) запас уже 8 %, и порыв 2–3 м/с выводит в срыв (задача 2).
  3. Вход в «винт» аэродинамически исключается двумя цифрами: \(V \geq 1{,}2\cdot V_{ср} \) и крен в манёврах ниже 45°; порыв \(\Delta V = 3\ \text{м/с} \) при \(V = 10\ \text{м/с} \) даёт скачок 0,6 g, суммируемый с манёвренной перегрузкой (задача 4).
↑ К оглавлению

2. Величины и единицы измерения (глоссарий)

Все величины, встречающиеся в статье и задачах, — в одной таблице. Безразмерные величины (перегрузки, коэффициенты) единиц не имеют, для них в колонке «Единица» — прочерк или условное «g».

СимволВеличинаЕдиницаТипичное значение в задачах
V скорость полёта м/с 10–15
ΔV вертикальный порыв (отклонение скорости ветра) м/с 2–3
Δn прирост перегрузки от порыва g (безразмерное) 0,27–0,6
n перегрузка — во сколько раз крыло держит больше веса g (безразмерное) 1–2,6
α угол атаки градусы (°) до αcrit
Vср скорость срыва м/с 11,55
W сила тяжести (вес) Н 4,9–9,8
ΔY прирост подъёмной силы Н 1,3–5,9
m масса аппарата кг 0,5–1
s дистанция (разбег) м 50
t время с 2,9–5,9
Vбок боковой ветер м/с 3
d снос (боковое смещение) м 8,8–17,7
ωвинт угловая скорость самокручивания °/с 60–280
h высота м 100–300
↑ К оглавлению

3. Порывы и турбулентность

Порыв (gust, рисунок — Wikipedia) — локальное отклонение скорости ветра от среднего. У земли главные источники: срывное течение за зданиями и вышками (наиболее интенсивное — в первых 20–50 м за препятствием), ЛЭП и столбы (узкая зона турбулентности с периодом в десятки секунд), сдвиговый ветер (градиент скорости с высотой), термическая турбулентность (рисунок — Wikipedia) / Турбулентность (крупные восходящие и нисходящие потоки 100–300 м в диаметре) и вихревой след за другими аппаратами и судами.

Вертикальный порыв ΔV меняет угол атаки крыла на \(\Delta\alpha \approx \Delta \frac{V}{V} \) (крыло «встречает» поток под другим углом). Подъёмная сила ∝ V², поэтому прирост нагрузки в первом приближении:

\[ \Delta n \approx \frac{2\,\Delta V}{V} \]

Порыв 3 м/с при \(V = 10\ \text{м/с} \) даёт \(\Delta n \approx 0{,}6 \) — нагрузка за доли секунды вырастает на 60 % (задача 4). Горизонтальный порыв не нагружает крыло, но сносит аппарат и создаёт кренящий момент вокруг вертикальной оси — для крылового аппарата это снижение носа, для мультиротора — расхождение с точкой удержания.

ИсточникХарактерГде опаснее
Здания, вышки сильные хаотичные порывы 3–10 м/с в 20–50 м за препятствием, низкая высота
ЛЭП, столбы, линии связи узкая зона турбулентности, период ~10–30 с полёт «под линией» и на перехлёсте
Термика потоки 2–10 м/с, диаметр 100–300 м дневной полёт над открытой местностью
Вихревой след другого ЛА (лётательного аппарата) двойной вихрь, 30–120 с «хвост» за крупным аппаратом/судом
Свой винт (мультиротор) вихри в срывном потоке винтов старт/посадка, низкая высота, ветер

Мультиротор в порыве: крыла нет — «срываются» только лопастные профили винтов (по отдельности, см. §3), рама порывом не «загружается» как крыло. Но удержание позиции в боковом порыве требует расхода тяги: батарея садится быстрее, а при ветре на пределе (8–10 м/с, §5) точность удержания позиции ухудшается — аппарат перестаёт удерживать заданную точку.

↑ К оглавлению

4. Срыв: механизм и восстановление

Механизм

С ростом угла атаки α обтекание профиля переходит от пристенного к отрывающемуся: граница слоя отрывается от задней кромки и распространяется к передней. На α_crit отрыв охватывает большой участок — подъём резко падает, сопротивление резко растёт. Это и есть срыв (stall, рисунок — Wikipedia) / Сваливание. Скорость срыва в горизонтальном полёте (статья 29):

\[ V_{ср} = \sqrt{\frac{2W}{\rho\,S\,C_{y,max}}} \]

В вираже: \(V_{ср}(n) = V_{ср}(1)\cdot \sqrt{n} \) (статья 30) — в 60° крена порог срыва на 41 % выше по скорости. Навстречу порыву порог срыва достигается ещё быстрее: \(\Delta n \approx 2\Delta \frac{V}{V_{добавляется}} \) к рабочей нагрузке (задача 2).

Признаки приближения

  • Буффет — виброудары от срывающегося потока с задней кромки (у крыла — «дребезг», у винта — «хруст» и рост вибрации на оборотах).
  • Падение эффективности рулей — сначала элероны (срыв начинается с конусов крыла), потом руль высоты.
  • Неустойчивость по рысканию/тангажу, «плавает» показания по приборам (датчики качают).

Восстановление (крыло)

Стандартная схема: (1) уменьшить α — отдать штурвал/гайку «на себя» (нос вниз); (2) при потере высоты — дать тягу; (3) выровнять крыло. Главное — не «тянуть» нос вверх: это увеличивает α и углубляет срыв. Скорость после срыва обычно ниже V_ср — набор скорости идёт самостоятельно; тяга лишь корректирует режим.

«Срыв» у мультиротора

У винта «срыв» — локальный: отдельные лопасти (внешние радиусы, лопасть, идущая «на себя» при крене) срываются, суммарная тяга падает на 10–30 %, растёт вибрация и шум. В аэродинамический «винт» (самокручение) мультиротор не входит: моторы вращают лопасти, тяга не «переворачивается». Опасность другого рода: потеря тяги в порыве/сдвиговом ветре → потеря высоты → переворот рамы с разбитием о землю. Защита — запас тяги (статья 26) и failsafe (аварийный режим: RTH или посадка) (статья 27).

Запас до срыва: считается по нагрузке, не по скорости: запас = (V/V_ср)² − 1. Режим полёта выбирают при \(V \geq 1{,}2\cdot V_{ср} \) — тогда запас по нагрузке 44 %, и порыв 20 % от скорости крыло переносит с запасом.
↑ К оглавлению

5. «Винт» (spin) и его аналоги у мультиротора

«Винт» (spin — режим самокручивания) (spin — Wikipedia / Штопор (пилотаж)) — самораскручивающийся режим: срыв, крен больше 25–30° и рыскание (обычно от действия кренящего момента несимметричного срыва) → одна половина крыла срывается сильнее, аппарат начинает вращаться вокруг вертикальной оси и снижается по винтовой траектории с угловой скоростью ~60–280°/с (у малых аппаратов — ближе к верхней границе) и креном 60–90°.

Фазы: (1) вход — 1–2 оборота, скорость снижается; (2) развитие — устойчивая раскрутка, высота уменьшается со скоростью 100–300 м/мин; (3) выведение — классическая схема «противорыск → штурвал/гайка вперёд (α вниз) → тяга → выравнивание». Выводить нужно с запасом высоты 100–300 м: ниже — не выведете.

Ключевой момент: «винт» начинается с срыва в крене. Если держать \(V \geq 1{,}2\cdot V_{ср} \) и крен в манёврах ниже 45°, вход в «винт» исключается аэродинамически — это не «привычка», а две цифры, которые вы обязаны держать в голове в каждом манёвре.

Мультиротор: аэродинамического «винта» не может быть: крыло отсутствует. «Аналоги»: (а) рыскательный переворот — асимметричный отказ мотора + крен: аппарат переворачивается вбок при снижении; (б) вихревое самовоздействие — посадка в собственный срывной поток (возврат на точку, где только что летел): винты работают в собственном срывном потоке — выработка тяги становится неустойчивой. Защита — failsafe: RTH (return to home, возврат на базу) или вертикальное экстренное снижение с выключением моторов на высоте 1–2 м (статья 27).

↑ К оглавлению

6. Безопасность: до и в полёте

До полёта

  • Центр масс (статья 32) — в пределах, винты/моторы — без трещин, балансировка.
  • Failsafe: батарея ниже порога → RTH; потеря связи → посадка/RTH.
  • Погода: ветер по лимитам (§5, таблица), осадки/изморозь — статья 33, туман — обзор для визуального наблюдения.
  • Площадка: вне срывного течения за зданиями (не в первых 20–50 м за препятствием), без ЛЭП в радиусе 50–100 м.

В полёте

  • Скорость ≥ 1,2·V_ср (крыло); крен в манёврах ниже 45° (запас по срыву в вираже, статья 30).
  • Батарея: 25 % — порог RTH, 15 % — «не возвращаюсь — ищу посадку».
  • Высота: не ниже двойной высоты препятствий на маршруте; над людьми/животными — только там, где разрешено.
  • Мультиротор: не «висеть» в вихревом следе другого аппарата; посадку планировать подветренно.
РежимМультиротор (тип. 1–2 кг)Крыло (тип. 0,5 кг)
Ветер для полёта до 8 м/с (свободно), 8–10 (только опытный) до 6 м/с в лоб/сзади, боковой до 5
Боковой ветер на взлёт/посадку (крыло) — 3–5 м/с; больше — «по ветру» или отмена
Запас тяги (N−1: отказ одного из N моторов) 1,3–2 (статья 26) —
Запас до срыва — (лопасти) (V/V_ср)² ≥ 1,44
Батарея на RTH 25 % 25 %
↑ К оглавлению

7. Симптом → причина → действие

СимптомНаиболее вероятная причинаДействие
Вибрация, «дребезг» крыла, «хруст» винта приближение к срыву (буффет) снизить крен, набрать скорость, не тянуть нос
«Нос клюёт» в вираже срыв в крене (n выше 1,4, V низкая) выпрямить крен, скорость, высота
У аппарата возникают периодические колебания (период — секунды) ЛЭП/столбы, сдвиговой ветер сменить высоту на 20–50 м или уйти с линии
Мультиротор смещается с точки удержания боковой порыв на пределе тяги не уводить аппарат вбок; RTH или посадка
Резкое снижение тяги + вибрация (мультиротор) срыв лопастей / отказ мотора failsafe: RTH, снизить высоту плавно
Рыскание + крен после порыва (крыло) вход в «винт» противорыск, α вниз, тяга, высота для вывода
«Плавают» показания скорости/высоты турбулентность, порывы, лёд на трубке Пито статьи 17, 33; не верить одному датчику
Картинка «помутнела» (камера) роса/изморозь, точка росы (статья 33) прогрев объектива, RTH

Таблица — для «первой реакции» в первые 2–3 секунды. Любое «не понимаю, что происходит» — немедленный RTH: батарея на возврате есть по определению (§5).

↑ К оглавлению

8. Практика: типовые задачи (с решениями)

Задача 1. Порыв нагружает крыло

Задача. Крыло \(m = 0{,}5\ \text{кг} \) летит \(V = 15\ \text{м/с} \) и встречает вертикальный порыв \(\Delta V = 2\ \text{м/с} \) (за зданием). Найти прирост перегрузки и силу.

Заданные параметры:

Масса m 0,5 кг
Скорость V 15 м/с
Порыв ΔV 2 м/с

Искомые параметры: Δn (g), ΔY (Н).

Решение.

  1. Прирост перегрузки: \(\Delta n \approx 2\,\Delta V/V = 2 \cdot 2/15 = 0{,}27\ \text{g} \).
  2. Прирост силы: \(\Delta Y = \Delta n \cdot m g = 0{,}27 \cdot 0{,}5 \cdot 9{,}80665 \approx 1{,}3\ \text{Н} \). Длительность порыва за зданием ~1–2 с.
Ответ: \(\Delta n \approx 0{,}27 g \) (+27 % нагрузки, ~1,3 Н для 0,5 кг). Вывод: при резерве конструкции 2–3 g это запас; если аппарат летал на пределе запаса, загрузка выходит за расчётный предел.

Задача 2. Запас до срыва

Задача. Аппарат с Vср = 11,55 м/с (статья 29) летит V = 14 м/с. Найти запас по скорости и по нагрузке; сколько выдержит порыв.

Заданные параметры:

Vср 11,55 м/с
Скорость V 14 м/с

Искомые параметры: запас по скорости и по нагрузке (%), допустимый порыв ΔV (м/с).

Решение.

  1. Запас по скорости: \(V/V_{ср} = 14/11{,}55 = 1{,}21 \) (+21 %).
  2. Запас по нагрузке: \((V/V_{ср})^2 = 1{,}47 \) — крыло «держит» на 47 % больше рабочего.
  3. Допустимый порыв: \(\Delta V_{доп} = \Delta n_{доп} \cdot V/2 = 0{,}47 \cdot 14/2 \approx 3{,}3\ \text{м/с} \).
Ответ: запас по скорости 21 %, по нагрузке 47 %; порыв до ~3,3 м/с переносится с запасом. Вывод: при \(V = 12\ \text{м/с} \) запас по скорости был бы 4 %, по нагрузке — 8 %: уже близко к пределу, а порыв 2–3 м/с вывел бы крыло в срыв.

Задача 3. Боковой ветер на взлёте

Задача. Разбег 50 м, скорость к отрыву 17 м/с (усреднённая), боковой ветер 3 м/с. Найти снос к отрыву.

Заданные параметры:

Дистанция разбега s 50 м
Скорость к отрыву V 17 м/с
Боковой ветер Vбок 3 м/с

Искомые параметры: снос d (м).

Решение.

  1. Метод среднего (разбег при уже достигнутой скорости): \(t = s/V = 50/17 \approx 2{,}9\ \text{с} \), \(d = V_{бок} t = 3 \cdot 2{,}9 \approx 8{,}8\ \text{м} \).
  2. Разгон с места (средняя скорость V/2): \(t = 2s/V = 5{,}9\ \text{с} \), снос \(d = 3 \cdot 5{,}9 \approx 17{,}7\ \text{м} \) — верхняя оценка.
Ответ: снос ≈ 8,8 м (метод среднего; при разгоне с места — до ~18 м). Вывод: боковой ветер 3 м/с сносит аппарат с оси на 8–18 м: отрыв планируют с наветренного конца (навстречу ветру), снос в воздухе компенсируют элеронами (статья 29).

Задача 4. Скачок нагрузки

Задача. Крыло-обтекатель аппарата \(m = 1\ \text{кг} \) движется на \(V = 10\ \text{м/с} \) и встречает вертикальный порыв \(\Delta V = 3\ \text{м/с} \). Найти скачок нагрузки и эквивалентную («видимую») массу аппарата в момент порыва.

Заданные параметры:

Масса m 1 кг
Скорость V 10 м/с
Порыв ΔV 3 м/с

Искомые параметры: Δn (g), ΔY (Н), mэфф (кг).

Решение.

  1. Скачок перегрузки: \(\Delta n \approx 2\cdot 3/10 = 0{,}6\ \text{g} \).
  2. Скачок силы: \(\Delta Y = 0{,}6 \cdot 1 \cdot 9{,}80665 = 5{,}9\ \text{Н} \).
  3. Эквивалентная масса: \(m_{эфф} = m(1 + \Delta n) = 1 \cdot 1{,}6 = 1{,}6\ \text{кг} \).
  4. Сравнение: рама рассчитана на манёвренную перегрузку 2–3 g — порыв 0,6 g не критичен, но если аппарат уже был в манёвре (n = 2), суммарно 2,6 g — предел.
Ответ: скачок +5,9 Н (0,6 g), эквивалентная масса 1,6 кг. Вывод: суммирование «манёвр + порыв» — типичная причина «сломалось в порыве»: конструкцию проверяют по сумме, а не по одной составляющей.

Задача 5. Срыв в вираже 30°

Задача. Аппарат с Vср(1) = 11,55 м/с заходит в вираж 30° на скорости 12 м/с. Срывается ли аппарат; если нет — какой запас; найти радиус виража.

Заданные параметры:

Vср(1) 11,55 м/с
Крен φ 30°
Скорость V 12 м/с

Искомые параметры: Vср(n) (м/с), режим полёта, R (м).

Решение.

  1. Перегрузка: \(n(30°) = 1/\cos 30° = 1{,}15 \).
  2. Скорость срыва в вираже: \(V_{ср}(1{,}15) = 11{,}55 \cdot \sqrt{1{,}15} = 11{,}55 \cdot 1{,}07 = 12{,}4\ \text{м/с} \).
  3. Сравнение: 12 м/с ниже 12,4 м/с — запас отрицательный, аппарат в срыве.
  4. Радиус (для справки, если бы летел 13 м/с): \(R = V^2/(g\tan\varphi) = 169/(9{,}80665 \cdot 0{,}577) \approx 29{,}9\ \text{м} \).
Ответ: в вираже 30° порог срыва 12,4 м/с — на 12 м/с аппарат срывается (запас отрицательный). Вывод: «мягкий» вираж 30° тоже требует \(V \geq 1{,}3\cdot V_{ср}(1) \approx 15\ \text{м/с} \), чтобы порыв не привёл к срыву (статья 30).
↑ К оглавлению

9. Чек-лист самопроверки знаний

Отметьте пункты, которые вы действительно понимаете и можете применить без подсказок.

✓НавыкПроверка
Δn от порыва считаю 2ΔV/V и знаю источники (здания, ЛЭП, термика)
Запас до срыва держу V ≥ 1,2·V_ср и понимаю запас (V/V_ср)²
Признаки срыва называю 3 признака (буффет, рули, приборы)
Восстановление «α вниз, тяга, выравнивание» — без «тянуть вверх»
Винт знаю условие входа (срыв + крен 25–30°) и фазы
Мультиротор различаю срыв лопастей, рыскательный переворот, вихревое самовоздействие
Лимиты называю ветровые пороги и 25 % на RTH
↑ К оглавлению

10. Источники

  1. Wikipedia, «Gust» — порыв, источники (рисунок). en.wikipedia.org/wiki/Wind_gust
  2. Wikipedia, «Turbulence» — турбулентность, термическая (рисунок). en.wikipedia.org/wiki/Turbulence / ru.wikipedia.org/wiki/Турбулентность (Турбулентность)
  3. Wikipedia, «Stall (flight)» — срыв, V_ср, признаки, восстановление (рисунок). en.wikipedia.org/wiki/Stall_(flight) (flight) / ru.wikipedia.org/wiki/Сваливание (Сваливание) Stall_(fluid_dynamics) / Сваливание / ru.wikipedia.org/wiki/Сваливание (Сваливание)
  4. Wikipedia, «Spin (aerodynamics)» — винт: вход, фазы, выведение (рисунок). en.wikipedia.org/wiki/Spin_(aerodynamics) (aerodynamics) / ru.wikipedia.org/wiki/Штопор_(пилотаж) (Штопор (пилотаж))
  5. Wikipedia, «Load factor (aeronautics)» — перегрузка, связь с порывом и виражом. en.wikipedia.org/wiki/Load_factor_(aeronautics) (aeronautics)
  6. Статьи цикла 17 (трубка Пито), 26 (тяга N−1), 27 (failsafe), 29–30 (скорости, виражи) — база.

Опорные аппараты — продолжение статей 28–30; численные примеры рассчитаны автором (\(g = 9{,}80665\ \text{м/с}^{2} \), \(\rho = 1{,}225\ \text{кг/м}^{3} \)). Проверено: 03.09.2026.

↑ К оглавлению
  • мод. : Понедельник, 21 сентября 2026