11.5. Аэродинамическая компенсация и весовая балансировка рулей

Уменьшение шарнирного момента руля, приводящее к снижению усилия на рычаге управления, осуществляется с помощью аэродинамической компенсации.

Аэродинамическая компенсация (рис. 11.14) обеспечивается с помощью осевой и роговой компенсации руля; внутренней и статической компенсации руля; сервокомпенсатора, кинетически связанного с отклонением руля; пружинного сервокомпенсатора.

Сущность осевой компенсации заключается в том, что ось вращения находится на некотором расстоянии от носка руля (ближе к центру давления). В результате уменьшения расстояния точки приложения аэродинамической силы R от оси вращения шарнирный момент уменьшается. Дальнейшее перемещение сил вращения в направлении от носка может привести к перекидке знака шарнирного момента. Это явление носит название перекомпенсации.

Обычно соотношения площадей рулей и компенсации составляют:

S_кв = (0,22–0,25)S_рв; S_кн = (0,20–0,22)S_рн; S_кэ = (0,25–0,28)S_э,

где S_рв, S_рн, S_э – соответственно, площади рулей высоты, направления и элеронов; S_кв, S_кн, S_кэ – площади компенсационной части указанных рулей.

в

б

а

Задний лонжерон консольной части крыла

Лонжерон элерона

Кронштейн

элерона

Нервюра

элерона

Кронштейн

навески

Триммер

Рис. 11.14. Аэродинамическая компенсация [1]:

а – осевая; б – внутренняя; в – сервокомпенсация

У рулей, снабженных роговой компенсацией, концевая часть рулевой поверхности располагается перед осью руля (ВО Ан-2). При повороте руля действующая на роговой компенсатор аэродинамическая сила создает момент, противоположный шарнирному.

Внутренняя или статическая компенсация рулей чаще всего применяется на элеронах. Носок элерона соединяется с крылом воздухонепроницаемой гибкой диафрагмой. При отклонении элерона избыточное давление на диафрагму создает силу, способствующую его отклонению. Для компенсации такого типа характерно отсутствие перетекания воздуха из зоны повышенного давления в зону пониженного, а также устранение выхода носка руля при его отклонении за крыло, что снижает его лобовое сопротивление. Внутренняя компенсация особо эффективна при полетах на больших скоростях, однако осуществление ее в тонких профилях затруднено, так как она ограничивает углы отклонения элеронов.

По принципу действия сервокомпенсатор и триммер подобны, но между ними есть существенное различие. Если триммер отклоняется только по воле пилота и отклонение руля не вызывает поворота триммера, то сервокомпенсатор с помощью 4-звенного механизма отклоняется всегда в сторону, обратную отклонению основного руля. Угол отклонения компенсатора увеличивается при увеличении отклонения руля. Таким образом, автоматически включившийся (отклонившийся) сервокомпенсатор снижает усилия, потребные для отклонения руля, до вполне допустимых значений.

Расчеты показывают, что у многодвигательных самолетов велики усилия на рычагах управления. Широкий диапазон изменения этих усилий от малых (на дозвуковых скоростях) до очень больших (на сверхзвуковых скоростях) требует ввода переменной по числу М аэродинамической компенсации. Выходом из положения явилось применение системы управления с усилителями (бустерами). Однако и при наличии усилителей в системе управления рули должны иметь аэродинамическую компенсацию, во-первых, для снижения потребных мощностей бустеров, во-вторых, для повышения безопасности аварийного перехода на ручное управление при выходе бустера из строя.

Триммеры (рис. 11.15) представляют собой вспомогательную рулевую поверхность, устанавливаемую в хвостовой части основного руля. С помощью триммеров самолет балансируется относительно всех его осей при изменении центровки и режима полета. Триммер отклоняется независимо от руля, обычно с помощью необратимых самотормозящихся электромеханизмов. Триммер руля высоты, как правило, управляется тросовым механическим устройством. Сущность работы триммера можно пояснить следующим примером. При отказе одного из двигателей самолета возникает разворачивающий момент, противодействие которому может быть создано отклонением руля поворота. Длительный полет с отклонением руля утомителен для пилота. Отклоняя триммер в сторону, противоположную отклонению руля, нагрузку, передающуюся на ноги пилота, можно уменьшить до сколь угодно малой величины. Компенсирующий момент от триммера, противодействующий шарнирному моменту, возникает вследствие большого плеча силы, приложенной к триммеру, хотя сама сила и невелика. Шарнирный момент при этом

М_ш = Р_p h – P_тр H,

где P_р и P_тр – аэродинамические силы, приложенные, соответственно, к рулю и триммеру; h и H – плечи этих сил относительно оси вращения руля.

Р_р

Р_тр

Рис. 11.15. Схема работы триммера и сервокомпенсатора.

При наличии отклоняемых стабилизатора и киля необходимость в установке триммера отпадает. Триммер цельнометаллический состоит из диафрагмы, лонжерона и обшивки. Крепление к рулю – шарнирное.

Весовая балансировка (весовая компенсация рулей) предназначена для предотвращения незатухающих упругих колебаний оперения и крыла, возникающих при полете на больших критических скоростях (рис. 11.16). Сущность весовой компенсации состоит в том, что ЦТ руля совмещается при помощи дополнительных грузов 2 (рис. 11.16, а), расположенных в передней части руля, с осью его вращения или сдвигается вперед относительно его оси. В последнем случае весовая компенсация называется перебалансировкой.

Весовая компенсация осуществляется с помощью чугунных или свинцовых болванок 3 (рис. 11.16, в) и различных агрегатов, устанавливаемых в носке руля. Возможна также установка компенсирующего груза на специальных кронштейнах, прикрепленных к рулю. Эти противовесы стремятся разместить внутри подвижных частей оперения или внутри фюзеляжа, что в весовом отношении хуже, чем установка сосредоточенных балансировочных грузов, из-за меньшего плеча от оси вращения до груза. Но при этом обеспечивается не только статическая балансировка, но и динамическая, так как отсутствует закручивание элерона от инерционных сил балансира и дополнительное сопротивление при его отклонении.

Весовой балансировки можно достичь за счет облегчения хвостовой части профиля (рис. 11.16, г) с помощью применения сотового заполнителя (например, лопасти несущих винтов вертолетов). В этом случае кроме повышения жесткости можно еще получить и экономию в массе.

б

а

в

г

Рис. 11.16. Весовая балансировка на примере

конструкции элеронов и узлов их подвески [1]:

а – ось подвески элерона; б – узел подвески (сечение 1–1), в – весовая компенсация, г – облегчение хвостовой части сотовым заполнителем; 1 – ось вращения;

2 – дополнительный груз; 3 – чугунная болванка

Таким образом, хвостовое оперение обеспечивает устойчивость и управляемость ЛА. К органам устойчивости и управляемости предъявляются аэродинамические, компоновочные и прочностные требования, которые определяют их геометрические характеристики, конструкцию, внешние формы, параметры и компоновки.