2. 3. Механизация оперения.
Несущие поверхности, предназначенные для создания устойчивости, управляемости и балансировки самолета, называют оперением.
Продольная балансировка, устойчивость и управляемость самолета обычной схемы обеспечиваются горизонтальным оперением, путевая балансировка, устойчивость и управляемость – вертикальным оперением, балансировка и управление самолета относительно продольной оси – элеронами. Оперение (рис. 2.3, а) обычно состоит из неподвижных поверхностей, служащих для обеспечения равновесия (балансировки) и устойчивости, и подвижных поверхностей, при отклонении которых создаются аэродинамические моменты, необходимые для равновесия (балансировки) и управления полетом. Неподвижная часть горизонтального оперения называется стабилизатором, а вертикального – килем. К стабилизатору шарнирно крепится руль высоты, состоящий обычно из двух половин, а к килю – руль направления. Действие аэродинамических рулей основано на изменении при постоянном угле атаки аэродинамической силы профиля вследствие изменения его кривизны (рис. 2.3, б). Искривление профиля приводит к возникновению силы Rг.о, которая благодаря большому плечу относительно центра тяжести самолета создает момент, уравновешивающий суммарный момент тяги двигателей, сил, возникающих на крыле, фюзеляже и других частях самолета. Таким образом, момент оперения балансирует самолет. Отклонением руля в ту или другую сторону можно изменить не только значение, но и направление момента, и таким образом вызвать поворот самолета относительно поперечной оси, т. е. управлять самолетом. Момент относительно оси вращения руля, возникающий от действия на него аэродинамической силы Rp, обычно называют шарнирным моментом и обозначают Mш=Rpa. Шарнирный момент зависит от скорости полета (числа М), углов атаки и скольжения, угла отклонения руля, местоположения шарниров подвески и размеров руля. Отклоняя рычаги управления, пилот должен приложить определенное усилие для преодоления шарнирного момента. Сохранение приемлемых для пилота усилий достигается применением аэродинамической компенсации.
Рис. 2.3.Оперение самолета и схема его работы:
1 – форкиль; 2 – зализ; 3 – проблесковый маяк; 4 – киль; 5 – руль направления; 6 – триммер руля направления; 7 – сервокомпенсатор; 8 – триммер руля высоты; 9 – руль высоты; 10 – стабилизатор; 11 – фальшкиль.
Обычно у самолетов оперение располагается позади крыла, но у сверхзвуковых самолетов стала все чаще применяться схема «утка». У таких самолетов горизонтальное оперение располагается впереди крыла и является несущим.
Известно, что при переходе к сверхзвуковой скорости полета на самолете возникает мощный пикирующий момент, для компенсации которого необходимо увеличивать направленную вниз подъемную силу горизонтального оперения. Если при дозвуковой скорости полета отрицательная подъемная сила горизонтального оперения приблизительно составляет 0,1YКр, то при сверхзвуковой скорости полета она равна (0,25…0,3) Yкр. Балансировка самолета обеспечивается отклонением руля высоты вверх, что приводит к увеличению лобового сопротивления самолета и уменьшению аэродинамического качества.
При переднем расположении горизонтального оперения повышается его эффективность (оперение не затенено крылом), что требует меньшего отклонения рулевых поверхностей при балансировке самолета. Однако схема «утка» имеет ряд недостатков: срыв потока у оперения наступает раньше, чем на крыле, в результате чего возникают продольные колебания самолета; из-за удлиненной носовой части самолета снижается путевая устойчивость. При полете на больших углах атаки (при посадке) срыв потока на оперении вызывает опасное и быстрое опускание носовой части самолета («кивок»). Для устранения отрицательных последствий схемы «утка» при дозвуковом полете носовое оперение должно либо убираться из потока, либо находиться во флюгерном положении, а при переходе к сверхзвуковой скорости – фиксироваться в определенном положении.
Эффективность рулей можно оценить по изменению продольного момента, моментов крена и рыскания при отклонении на 1 градус соответствующего руля. При больших скоростях полета сжимаемость воздуха, а также упругие деформации конструкции заметно снижают эффективность рулей. Уменьшение эффективности руля при больших околозвуковых скоростях обусловливается главным образом упругой закруткой стабилизатора, киля, крыла при отклонении соответствующего руля (рис. 2.3, в), которая снижает общий прирост подъемной силы профиля от отклонения руля.
Степень упругой закрутки профиля при отклонении руля зависит от действующего на профиль аэродинамического момента (относительно центра жесткости профиля), а также от жесткости самой конструкции. Малая относительная толщина оперения скоростных самолетов, а значит, малая жесткость, может вызвать явление реверса управления. Уменьшение эффективности рулей при обтекании их потоком со сверхзвуковыми скоростями вызвано и другими причинами. При сверхзвуковом обтекании добавочная подъемная сила при отклонении руля возникает только на руле, неподвижная часть оперения (киль, стабилизатор) участия в создании дополнительной аэродинамической силы не принимает. Поэтому для получения достаточной управляемости необходимо большее отклонение руля или увеличение площади отклоняемой поверхности. С этой целью на сверхзвуковых самолетах устанавливают подвижный управляемый стабилизатор с рулем высоты. То же самое относится к вертикальному оперению. На сверхзвуковых самолетах возможно применение поворотного киля без руля поворота. Изменение направления полета тогда достигается поворотом стабилизатора и киля. Углы отклонения стабилизатора и киля значительно меньше углов отклонения соответствующих рулей. Отклонение безрулевых поверхностей осуществляется с помощью необратимых самотормозящих гидравлических или электрических силовых устройств. Безрулевое оперение обеспечивает эффективное управление и балансировку самолета в большом диапазоне скоростей (от малых дозвуковых до больших сверхзвуковых) и центровок.
Площадь горизонтального оперения обычно составляет 15…20% площади крыла, площадь вертикального оперения 8…20%, а площадь элеронов 5…10%.
Площадь рулей зависит от типа самолета, т. е. от необходимой степени управляемости и устойчивости. Площадь руля высоты равна 30…40% общей площади горизонтального оперения, а площадь руля направления составляет
35…50% общей площади вертикального оперения.
Угол отклонения рулей обычно не превышает 25…35° в одну сторону, так как большее отклонение почти не увеличивает эффективности руля. Подвижный горизонтальный стабилизатор (без рулей высоты) вверх отклоняется па угол 15—18° и вниз на 6…10°.