.png/1280px-Alieron_A-44_(PSF).png)
Элерон (фр. aileron , «маленькое крылышко» или «плавник») — шарнирная поверхность управления полетом , обычно являющаяся частью задней кромки каждого крыла самолета с фиксированным крылом . [1] Элероны используются парами для управления самолетом по крену (или движению вокруг продольной оси самолета ), что обычно приводит к изменению траектории полета из-за наклона вектора подъемной силы . Движение вокруг этой оси называется «крен» или «наклон».
Существуют значительные разногласия по поводу заслуги в изобретении элерона. Братья Райт и Гленн Кертисс вели многолетнюю юридическую тяжбу из-за патента Райта 1906 года, в котором описывался метод деформации крыла для достижения бокового управления. Братья одержали победу в нескольких судебных решениях, которые установили, что использование Кертиссом элеронов нарушало патент Райта. В конечном итоге Первая мировая война вынудила правительство США принять законное решение. Гораздо более ранняя концепция элерона была запатентована в 1868 году британским ученым Мэтью Пирсом Уоттом Бултоном на основе его статьи 1864 года «О воздушном движении» .
Название «aleron» (элерон) с французского означает «маленькое крыло», также относится к конечностям крыльев птиц, используемых для управления их полетом. [2] [3] Впервые оно появилось в печати в 7-м издании французско-английского словаря Касселя 1877 года с ведущим значением «маленькое крыло». [4] В контексте самолетов с двигателем оно появляется в печати около 1908 года. До этого элероны часто называли рулями направления , их старшими техническими братьями, без различия между их ориентацией и функциями, или более описательно — горизонтальными рулями направления (по-французски gouvernails horizontaux ). Одним из самых ранних печатных случаев использования слова «aleron» в аэронавтике было упоминание во французском авиационном журнале L'Aérophile 1908 года. [5]
Элероны более или менее полностью вытеснили другие формы бокового управления, такие как деформация крыла , примерно к 1915 году, после того, как функция руля направления и руля высоты была в значительной степени стандартизирована. Хотя ранее было много противоречивых утверждений о том, кто первым изобрел элерон и его функцию, т. е. боковое или креновое управление, [5] устройство управления полетом было изобретено и описано британским ученым и метафизиком Мэтью Пирсом Уоттом Бултоном в его статье 1864 года «О воздушном движении» . Он был первым, кто запатентовал систему управления элеронами в 1868 году. [5] [6] [7] [8]
Описание Боултона его системы управления боковым полетом было «первым свидетельством, которое мы имеем об оценке необходимости активного бокового управления в отличие от [пассивной боковой устойчивости]... С этим изобретением Боултона мы имеем рождение современного метода трехмоментного управления в воздухе», который был высоко оценен Чарльзом Мэнли . [9] Это также было одобрено CH Gibbs-Smith. [10] [11] Британский патент Боултона № 392 от 1868 года, выданный примерно за 35 лет до того, как элероны были «заново изобретены» во Франции, был забыт и потерян из виду до тех пор, пока устройство управления полетом не стало общедоступным. [12 ] [Примечание 1] Гиббс-Смит несколько раз заявлял, что если бы патент Боултона был раскрыт во время подачи юридических документов братьями Райт , они, возможно, не смогли бы претендовать на приоритет изобретения для бокового управления летательными аппаратами. Тот факт, что братья Райт смогли получить патент в 1906 году, не отменил утраченное и забытое изобретение Боултона. [10]
Элероны не использовались на пилотируемых самолетах, пока их не применили на планере Робера Эсно-Пельтри в 1904 году [5] [13] , хотя в 1871 году французский военный инженер Шарль Ренар построил и осуществил полет на беспилотном планере, включавшем элероны с каждой стороны (которые он назвал «винглетами»), приводимом в действие маятниковым одноосным автопилотом в стиле Бултона. [14]
Пионер американской авиационной инженерии Октав Шанют опубликовал описания и чертежи планера братьев Райт 1902 года в ведущем авиационном журнале того времени L'Aérophile в 1903 году. Это побудило Эно-Пельтри, французского военного инженера, построить планер в стиле Райта в 1904 году, который использовал элероны вместо деформации крыла . [5] Затем французский журнал L'Aérophile опубликовал фотографии элеронов на планере Эно-Пельтри, которые были включены в его статью в июне 1905 года, и его элероны впоследствии широко копировались. [8] [15] [16]
Братья Райт использовали деформацию крыла вместо элеронов для управления креном на своем планере в 1902 году, и около 1904 года их Flyer II был единственным самолетом своего времени, способным выполнять скоординированный поворот с креном. В первые годы полета с двигателем у Райт было лучшее управление креном в их конструкциях, чем у самолетов, которые использовали подвижные поверхности. С 1908 года, по мере совершенствования конструкций элеронов, стало ясно, что элероны были намного эффективнее и практичнее, чем деформация крыла. Элероны также имели то преимущество, что не ослабляли конструкцию крыла самолета, как это делала техника деформации крыла, [5] что было одной из причин решения Эсно-Пельтри перейти на элероны. [16]
К 1911 году большинство бипланов использовали элероны вместо деформации крыла — к 1915 году элероны стали почти универсальными и на монопланах. Правительство США, разочарованное отсутствием авиационных достижений своей страны в годы, предшествовавшие Первой мировой войне , ввело патентный пул, фактически положив конец патентной войне братьев Райт . [17] [18] [19] В то же время компания Wright тихо изменила управление полетом своего самолета с деформации крыла на использование элеронов.
Ранее считалось, что первыми, кто применил элероны, были:
Патентный поверенный братьев Райт из Огайо Генри Тулмин подал обширную патентную заявку, и 22 мая 1906 года братьям был выдан патент США 821393. [25] Важность патента заключалась в заявлении о новом и полезном методе управления самолетом. Заявка на патент включала заявление о боковом управлении полетом самолета, которое не ограничивалось деформацией крыла, но посредством любой манипуляции «...угловыми отношениями боковых краев самолетов [крыльев]... изменяющимися в противоположных направлениях». Таким образом, в патенте прямо указывалось, что другие методы, помимо деформирования крыла, могут использоваться для регулировки внешних частей крыльев самолета под разными углами с правой и левой стороны для достижения управления боковым креном. Джон Дж. Монтгомери получил патент США 831173 [26] почти в то же время на свои методы деформирования крыла. Оба патента, братьев Райт и Монтгомери, были рассмотрены и одобрены одним и тем же патентным экспертом в Патентном ведомстве США Уильямом Таунсендом. [27] В то время Таунсенд указал, что оба метода деформации крыла были изобретены независимо и были достаточно разными, чтобы каждый из них мог оправдать выдачу своего собственного патента.
Многочисленные решения судов США были в пользу обширного патента Райта, который братья Райт пытались реализовать с помощью лицензионных сборов, начинающихся с 1000 долларов за самолет [5] [28] и, как говорят, достигающих 1000 долларов в день. [29] По словам Луиса С. Кейси, бывшего куратора Смитсоновского музея авиации и космонавтики в Вашингтоне, округ Колумбия, и других исследователей, из-за полученного ими патента Райты твердо стояли на позиции, что все полеты с использованием управления боковым креном в любой точке мира будут проводиться только по их лицензии. [29]
Братья Райт впоследствии оказались втянуты в многочисленные судебные иски, которые они подали против авиастроителей, использовавших боковое управление полетом, и братья впоследствии были обвинены в том, что сыграли «...главную роль в отсутствии роста и конкуренции в авиационной промышленности в Соединенных Штатах по сравнению с другими странами, такими как Германия, в преддверии и во время Первой мировой войны». [28] Последовали годы затяжного юридического конфликта со многими другими авиастроителями, пока США не вступили в Первую мировую войну, когда правительство навязало сторонам законодательное соглашение, которое привело к выплате роялти в размере 1% братьям Райт. [29]
Сегодня все еще существуют противоречивые утверждения о том, кто первым изобрел элерон. Другие инженеры и ученые 19 века, включая Шарля Ренара , Альфонса Пено и Луи Муйяра , описывали похожие поверхности управления полетом. Другой метод управления боковым полетом, деформация крыла , также был описан или экспериментирован несколькими людьми, включая Жана-Мари Ле Бри , Джона Монтгомери , Клемента Адера , Эдсона Галлоде , Д. Д. Уэллса и Хьюго Маттуллата. [5] [30] Историк авиации CH Гиббс-Смит писал, что элерон был «... одним из самых замечательных изобретений... истории воздухоплавания, которое было немедленно потеряно из виду». [5]
В 1906 году братья Райт получили патент не на изобретение самолета (который уже несколько десятилетий существовал в виде планеров), а на изобретение системы аэродинамического управления, которая управляла поверхностями летательного аппарата, включая управление боковым полетом [31], хотя рули направления , рули высоты и элероны были изобретены ранее.
.jpg/1280px-Flight._Yak-52_(8169897047).jpg)
Пары элеронов обычно соединены между собой таким образом, что когда один перемещается вниз, другой перемещается вверх: опускающийся элерон увеличивает подъемную силу на своем крыле, в то время как поднимающийся элерон уменьшает подъемную силу на своем крыле, создавая вращающийся (также называемый «кренингом») момент относительно продольной оси самолета (которая простирается от носа до хвоста самолета). [32] Элероны обычно располагаются вблизи законцовки крыла , но иногда могут также располагаться ближе к корневой части крыла . Современные авиалайнеры также могут иметь вторую пару элеронов на своих крыльях, причем два положения различаются терминами «внешний элерон» и «внутренний элерон».
Нежелательным побочным эффектом работы элеронов является неблагоприятное рыскание — момент рыскания в направлении, противоположном крену. Использование элеронов для крена самолета вправо создает рыскающее движение влево. Когда самолет кренится, неблагоприятное рыскание частично вызвано изменением сопротивления между левым и правым крылом. Поднимающееся крыло создает увеличенную подъемную силу, что вызывает увеличенное индуктивное сопротивление . Опускающееся крыло создает уменьшенную подъемную силу, что вызывает уменьшенное индуктивное сопротивление. Профильное сопротивление, вызванное отклоненными элеронами, может еще больше увеличить разницу, наряду с изменениями векторов подъемной силы, когда один вращается назад, а другой вращается вперед.
При скоординированном повороте неблагоприятное рыскание эффективно компенсируется использованием руля направления , что приводит к возникновению боковой силы на вертикальном хвосте, которая противодействует неблагоприятному рысканию, создавая благоприятный момент рыскания. Другим методом компенсации являются «дифференциальные элероны», которые были установлены таким образом, что опускающийся элерон отклоняется меньше, чем поднимающийся. В этом случае противодействующий момент рыскания создается разницей в сопротивлении профиля между левым и правым законцовками крыла. Элероны Frise усиливают этот дисбаланс сопротивления профиля, выступая под крылом отклоненного вверх элерона, чаще всего будучи слегка подвешенными позади передней кромки и около нижней части поверхности, при этом нижняя часть передней кромки поверхности элерона выступает немного ниже нижней поверхности крыла, когда элерон отклоняется вверх, существенно увеличивая сопротивление профиля с этой стороны. Элероны также могут быть спроектированы с использованием комбинации этих методов. [32]
При нейтральном положении элеронов крыло на внешней стороне поворота развивает большую подъемную силу, чем противоположное крыло из-за изменения скорости полета по размаху крыла, что приводит к тому, что самолет продолжает крениться. Как только желаемый угол крена (степень поворота вокруг продольной оси) достигнут, пилот использует противоположный элерон, чтобы предотвратить увеличение угла крена из-за этого изменения подъемной силы по размаху крыла. Это незначительное противоположное использование управления должно поддерживаться на протяжении всего поворота. Пилот также использует небольшое количество руля направления в том же направлении, что и поворот, чтобы противодействовать неблагоприятному рысканию и произвести «скоординированный» поворот, при котором фюзеляж параллелен траектории полета. Простой датчик на приборной панели, называемый индикатором скольжения , также известный как «шарик», показывает, когда эта координация достигнута. [32]
.jpg/1280px-Fokker_Dr._I_(117710246).jpg)
В частности, на более крупных или быстрых самолетах силы управления могут быть чрезвычайно большими. Заимствование открытия с лодок, что расширение площади поверхности управления перед шарниром облегчает необходимые силы, впервые появилось на элеронах во время Первой мировой войны, когда элероны были выдвинуты за пределы законцовки крыла и снабжены рогом перед шарниром. Известные как нависающие элероны, возможно, наиболее известными примерами являются Handley Page Type O (первый полет 17 декабря 1915 г.), Sopwith Snipe , Fokker Dr.I и Fokker D.VII . Более поздние образцы привели противовес в соответствие с крылом, чтобы улучшить управление и уменьшить сопротивление. Сейчас это встречается реже из-за элерона типа Frise [ необходимо разъяснение ] , который обеспечивает то же преимущество. [ необходима цитата ]
Триммеры представляют собой небольшие подвижные секции, напоминающие уменьшенные элероны, расположенные на задней кромке элерона или рядом с ней. На большинстве самолетов с винтовыми двигателями вращение винта(ов) вызывает противодействующее движение крена из-за третьего закона движения Ньютона , в котором каждое действие имеет равную и противоположную реакцию. Чтобы избавить пилота от необходимости оказывать постоянное давление на ручку в одном направлении (что вызывает усталость), предусмотрены триммеры для регулировки или выравнивания давления, необходимого для любого нежелательного движения. Сам триммер отклоняется относительно элерона, заставляя элерон двигаться в противоположном направлении. Триммеры бывают двух видов: регулируемые и фиксированные. Фиксированный триммер вручную сгибается до необходимой величины отклонения, в то время как регулируемым триммером можно управлять из кабины, чтобы компенсировать различные настройки мощности или положения в полете. Некоторые крупные самолеты 1950-х годов (включая Canadair Argus ) использовали свободно плавающие поверхности управления, которыми пилот управлял только посредством отклонения триммеров, в этом случае также были предусмотрены дополнительные пластины для точной настройки управления, чтобы обеспечить прямой и горизонтальный полет. [ необходима цитата ]
Лопаты — это плоские металлические пластины, обычно прикрепленные к нижней поверхности элерона, перед шарниром элерона, с помощью рычага. Они уменьшают усилие, необходимое пилоту для отклонения элерона, и часто встречаются на самолетах для выполнения акробатических упражнений . Когда элерон отклоняется вверх, лопата создает направленную вниз аэродинамическую силу, которая стремится повернуть всю сборку так, чтобы еще больше отклонить элерон вверх. Размер лопаты (и ее рычага) определяет, какое усилие пилоту необходимо приложить для отклонения элерона. Лопата работает так же, как рог, но более эффективна из-за более длинного плеча момента . [ необходима цитата ]
Чтобы увеличить скорость, на которой флаттер поверхности управления ( аэроупругий флаттер ) может стать риском, центр тяжести поверхности управления перемещается к линии шарнира для этой поверхности. Для достижения этого свинцовые грузы могут быть добавлены к передней части элерона. В некоторых самолетах конструкция элерона может быть слишком тяжелой, чтобы позволить этой системе работать без чрезмерного увеличения веса элерона. В этом случае груз может быть добавлен к рычагу, чтобы переместить груз далеко вперед к корпусу элерона. Эти балансировочные грузы имеют форму капли (для уменьшения сопротивления), что делает их совершенно непохожими на лопаты, хотя и те, и другие выступают вперед и ниже элерона. Помимо снижения риска флаттера, балансировка масс также уменьшает усилия на ручке, необходимые для перемещения поверхности управления при маневрах. [ необходима цитата ]
Некоторые конструкции элеронов, особенно при установке на стреловидных крыльях, включают ограждения, подобные ограждениям крыльев, расположенным заподлицо с их внутренней плоскостью, чтобы подавить часть продольной составляющей воздушного потока, проходящего по верхней части крыла, которая имеет тенденцию нарушать ламинарный поток над элероном при отклонении вниз. [ необходима ссылка ]
Использовавшиеся в довоенную «эру пионеров» авиации и в первые годы Первой мировой войны, эти элероны управлялись каждый одним кабелем, который тянул элерон вверх. Когда самолет находился в состоянии покоя, элероны висели вертикально вниз. Этот тип элеронов использовался на биплане Farman III 1909 года и Short 166. «Обратная» версия этого, использующая деформацию крыла, существовала на более поздней версии Santos-Dumont Demoiselle , которая только деформировала законцовки крыла «вниз». [33] Одним из недостатков этой установки была большая тенденция к рысканию, чем даже с базовыми взаимосвязанными элеронами. [34] В 1930-х годах ряд легких самолетов использовали органы управления одинарного действия, но использовали пружины для возврата элеронов в нейтральное положение при отпускании ручки.
_-_Le_Bl%C3%A9riot_VIII_%E2%80%A6_(7843390842).jpg/1280px-Sports_Aviation_-_Issy-les-Moulineaux_(10_septembre)_-_Le_Bl%C3%A9riot_VIII_%E2%80%A6_(7843390842).jpg)
Использовался на первом в истории планере самолета, имевшем комбинацию управления «джойстик/руль направления», которая напрямую привела к современной системе управления полетом , Blériot VIII в 1908 году, [35] некоторые конструкции ранних самолетов использовали элероны «крыльевой законцовки», где вся законцовка крыла поворачивалась для достижения управления креном как отдельная, поворотная поверхность управления креном — AEA June Bug использовала форму этих элеронов, причем как экспериментальный немецкий Fokker V.1 1916 года, так и более ранние версии цельнодюралюминиевого металлического демонстрационного моноплана Junkers J 7 использовали их — J 7 напрямую привел к конструкции немецкого цельнодюралюминиевого металлического истребителя Junkers DI 1918 года, который имел традиционные шарнирные элероны. Основная проблема этого типа элеронов — опасная тенденция к сваливанию при агрессивном использовании, особенно если самолет уже находится под угрозой сваливания, поэтому их используют в основном на прототипах, а на серийных самолетах заменяют более традиционными элеронами.
Инженер Лесли Джордж Фриз (1897–1979) из компании Bristol Aeroplane Company [37] разработал форму элерона, которая поворачивается примерно на 25–30% хорды и около нижней поверхности [1], чтобы уменьшить силы на ручке, поскольку самолеты стали быстрее в 1930-х годах. Когда элерон отклоняется вверх (чтобы заставить его крыло опуститься), передняя кромка элерона начинает выступать ниже нижней стороны крыла в воздушный поток под крылом. Момент передней кромки в воздушном потоке помогает поднять заднюю кромку, что уменьшает силу на ручке. Движущийся вниз элерон также добавляет энергию в пограничный слой. Кромка элерона направляет поток воздуха с нижней стороны крыла на верхнюю поверхность элерона, тем самым создавая подъемную силу, добавленную к подъемной силе крыла. Это уменьшает необходимое отклонение элерона. И канадский биплан Fleet Model 2 1930 года, и популярный американский моноплан Piper J-3 Cub 1938 года имели элероны Frise в том виде, в каком они были спроектированы, что помогло представить их широкой аудитории.
Заявленным преимуществом элерона Фризе является способность противодействовать неблагоприятному рысканию. Для этого передняя кромка элерона должна быть острой или тупо закругленной, что добавляет значительное сопротивление поднятому элерону и помогает уравновесить силу рысканья, создаваемую другим элероном, повернутым вниз. Это может добавить некоторый неприятный, нелинейный эффект и/или потенциально опасную аэродинамическую вибрацию (флаттер). [38] Неблагоприятному моменту рысканья в основном противодействует устойчивость самолета по рысканью, а также использование дифференциального движения элеронов. [39]
Элерон типа Фризе также образует щель, поэтому воздух плавно течет над опущенным элероном, делая его более эффективным при больших углах атаки. Элероны типа Фризе также могут быть спроектированы для функционирования по-разному. Как и дифференциальный элерон, элерон типа Фризе не устраняет неблагоприятное рыскание полностью. Координированное применение руля направления по-прежнему необходимо при применении элеронов. [36]
Благодаря тщательному проектированию механических связей верхний элерон может отклоняться больше, чем нижний элерон (например, патент США 1,565,097). [40] Это помогает снизить вероятность сваливания законцовки крыла , когда отклонения элеронов производятся на больших углах атаки. Кроме того, последующая разница в сопротивлении уменьшает неблагоприятное рыскание [41] (как также обсуждалось выше). Идея заключается в том, что потеря подъемной силы, связанная с верхним элероном, не влечет за собой никаких штрафных санкций, в то время как увеличение подъемной силы, связанное с нижним элероном, сводится к минимуму. Качающаяся пара на самолете всегда представляет собой разницу в подъемной силе между двумя крыльями. Конструктор в de Havilland изобрел простую и практичную связь, и их классический британский биплан de Havilland Tiger Moth стал одним из самых известных самолетов и одним из первых, использовавших дифференциальные элероны. [42]
На самых ранних самолетах эпохи пионеров , таких как Wright Flyer и более поздних, 1909 года выпуска Blériot XI и Etrich Taube , [43] поперечное управление осуществлялось путем скручивания внешней части крыла таким образом, чтобы увеличивать или уменьшать подъемную силу путем изменения угла атаки. Это имело недостатки, связанные с напряжением конструкции, большой нагрузкой на органы управления и риском сваливания стороны с увеличенным углом атаки во время маневра. К 1916 году большинство конструкторов отказались от деформации крыла в пользу элеронов. Исследователи в NASA и других местах снова пересматривали деформацию крыла, хотя и под новыми названиями. Версия NASA — X-53 Active Aeroelastic Wing , в то время как ВВС США испытывали Adaptive Compliant Wing . [44] [45]
Спойлеры — это устройства, которые, будучи выдвинутыми в воздушный поток над крылом, нарушают воздушный поток и уменьшают величину создаваемой подъемной силы. Многие современные конструкции самолетов, особенно реактивные самолеты , используют интерцепторы вместо или в дополнение к элеронам, например, F4 Phantom II и Northrop P-61 Black Widow , которые имели закрылки почти во всю ширину (также на законцовках крыла были очень маленькие обычные элероны).
Все самолеты с двугранным углом имеют некоторую форму связи рыскания-качки для обеспечения устойчивости. Обычные учебные самолеты, такие как Cessna 152/172, могут управляться креном только с помощью руля направления. Руль направления Boeing 737 имеет больше полномочий по крену над самолетом, чем элероны на больших углах атаки. Это привело к двум заметным авариям, когда руль направления заклинило в полностью отклоненном положении, что привело к опрокидыванию (см. Проблемы руля направления Boeing 737 ).
Некоторые самолеты, такие как Fokker Spin и модельные планеры, не имеют никакого типа бокового управления. Эти самолеты используют большее количество двугранного угла, чем обычные самолеты. Отклонение руля направления дает рыскание и большую дифференциальную подъемную силу крыла, создавая момент крена, вызванный рысканием. Этот тип системы управления чаще всего встречается в семействе небольших самолетов Flying Flea и на более простых моделях планеров с 2 функциями (управление тангажем и рысканием) или на моделях самолетов с 3 функциями (управление тангажем, рысканием и дроссельной заслонкой), таких как радиоуправляемые версии свободнолетающих моделей самолетов с двигателем "Old Timer" .
В 1917 году в результате рекомендации комитета, сформированного помощником министра ВМС (достопочтенным Франклином Д. Рузвельтом), был сформирован частный патентный пул самолетов, охватывающий почти всех производителей самолетов в Соединенных Штатах. Создание Manufacturer's Aircraft Association имело решающее значение для правительства США, поскольку два основных держателя патентов, Wright Company и Curtiss Company, фактически заблокировали строительство любых новых самолетов, которые были отчаянно необходимы, поскольку Соединенные Штаты вступали в Первую мировую войну.
Эта необычная договоренность могла быть истолкована как нарушение антимонопольного законодательства, но, к счастью, этого не произошло. Она служила четкой экономической цели: не дать держателю одного патента на критический компонент задержать создание целого самолета. Фактически пул не оказал никакого влияния ни на структуру рынка, ни на технологический прогресс. Скорость, безопасность и надежность самолетов, произведенных в США, неуклонно улучшались за годы существования пула (до 1975 года). За это время несколько фирм удерживали крупные доли рынка коммерческих самолетов: Douglas, Boeing, Lockheed, Convair и Martin, но ни одна из них не доминировала на нем долго.
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )
