stringtranslate.com

Вертикальный стабилизатор

Вертикальный стабилизатор представляет собой неподвижную вертикальную поверхность хвостового оперения.

Вертикальный стабилизатор или хвостовое оперение [1] [2] является статической частью вертикального оперения самолета . [1] Этот термин обычно применяется к совокупности как этой неподвижной поверхности, так и одного или нескольких подвижных рулей направления, шарнирно прикрепленных к ней. Их роль заключается в обеспечении контроля, устойчивости и балансировки при рыскании (также известном как курсовая устойчивость или флюгерная устойчивость). Это часть хвостового оперения самолета , а именно его стабилизаторов .

Вертикальное оперение [3] обычно устанавливается на верхней части задней части фюзеляжа, а горизонтальные стабилизаторы - на боковой части фюзеляжа (конфигурация, называемая «обычным хвостовым оперением»). Вместо этого иногда используются другие конфигурации, такие как Т-образное или двойное хвостовое оперение .

Вертикальные стабилизаторы иногда использовались в автоспорте , например, в гонках прототипов Ле-Мана .

Функция

Принцип

Поверхности управления в хвостовой части обычного самолета

Вертикальное оперение самолета обычно состоит из неподвижного вертикального стабилизатора или киля, на котором установлен подвижный руль направления. Триммер аналогичным образом может быть установлен на руле направления. Вместе их роль состоит в том, чтобы обеспечить балансировку в направлении рыскания (компенсировать моменты в рыскании, возникающие из-за любой асимметрии тяги или сопротивления ) , обеспечить управление самолетом по рысканью (например, инициировать боковое скольжение во время посадки с боковым ветром ), а также а также обеспечить устойчивость по рысканью (флюгер или курсовую устойчивость). [4]

Чем дальше он расположен от центра тяжести, тем эффективнее может быть вертикальное оперение. Таким образом, более короткие самолеты обычно имеют большее вертикальное оперение; например, вертикальное оперение короткого Airbus A318 больше, чем у его более длинных собратьев из семейства A320 .

Эффективность вертикального оперения зависит от его эффективности и коэффициента объема вертикального оперения [5] (также называемого объемным соотношением [6] ), который обезразмеривает его площадь и плечо с размерами основного крыла:

(где индексы v и w обозначают вертикальное оперение и крыло соответственно, S означает площадь, а L_w обычно представляет собой среднюю аэродинамическую хорду ). Значения коэффициента вертикального оперения незначительно различаются от одного типа самолета к другому, с крайними значениями в диапазоне от 0,02 (планер) до 0,09 (транспортный реактивный самолет). [5]

Эффективность хвоста представляет собой отношение динамического давления в хвосте к давлению в набегающем потоке. Хвост имеет максимальную мощность при погружении в набегающий поток с КПД, равным единице. При частичном погружении в след его эффективность снижается, поскольку след имеет более низкое динамическое давление, чем набегающий поток. Возможно, потребуется увеличить высоту плавника, чтобы восстановить его требуемую эффективность в определенных условиях полета. Panavia Tornado имел высокий киль для обеспечения курсовой устойчивости при больших углах падения. [7]

Триммирование и контроль при движении по рысканью

Руль направления представляет собой поверхность управления направлением и обычно шарнирно крепится к килю или вертикальному стабилизатору. Перемещение его позволяет пилоту контролировать рыскание относительно вертикальной оси, т. е. изменять горизонтальное направление, в котором направлен нос.

Максимальное отклонение руля направления обычно контролируется ограничителем хода руля направления . Максимально достижимый угол поворота руля направления в определенных условиях полета называется пределом продувки. Он представляет собой баланс между аэродинамическими силами, действующими на руль направления, и механическими силами исполнительного механизма. [8]

Многомоторные самолеты, особенно с крыльевыми двигателями, имеют большие мощные рули направления. Они должны обеспечивать достаточный контроль после отказа двигателя при взлете при максимальном весе и пределе бокового ветра [9] , а также способность противостоять боковому ветру при нормальном взлете и посадке. [10]

При рулении и начале взлета управление самолетом осуществляется за счет сочетания руля направления, а также поворота носового или хвостового колеса. На малых скоростях наибольшее влияние на управление имеет носовое или хвостовое колесо, но по мере увеличения скорости аэродинамическое воздействие руля направления увеличивается, тем самым делая руль направления все более важным для управления рысканьем. В некоторых самолетах (в основном небольших самолетах) оба этих механизма управляются педалями руля направления , поэтому для пилота нет никакой разницы. На других самолетах имеется специальный румпель, управляющий поворотом штурвала, и педали, управляющие рулем направления, а также ограниченный угол поворота штурвала (обычно 5 градусов поворота носового колеса). Для этих самолетов пилоты прекращают использовать румпель после выравнивания с взлетно-посадочной полосой перед взлетом и начинают использовать его после приземления перед выездом с взлетно-посадочной полосы, чтобы предотвратить чрезмерную коррекцию с помощью чувствительного румпеля на высоких скоростях. Педали также можно использовать для небольших корректировок при рулении по прямой, входе в поворот или выходе из него перед включением румпеля, чтобы поворот оставался плавным. [ нужна цитата ]

Когда органы управления находятся в нейтральном положении, самолет все равно может слегка отклоняться в сторону. Это исправляется установкой триммера, часто отдельного триммера, установленного на руле направления, а иногда и самого руля направления, чтобы противодействовать рысканию и обеспечивать полет самолета по прямой. [ нужна цитата ]

Изменение настройки триммера регулирует нейтральное или исходное положение поверхности управления (например, руля высоты или руля направления). По мере изменения желаемого положения поверхности управления (в основном в зависимости от различных скоростей) регулируемый триммер позволит оператору уменьшить ручное усилие, необходимое для поддержания этого положения, — до нуля, если оно используется правильно. Таким образом, триммер действует как сервопривод . Поскольку центр давления триммера находится дальше от оси вращения поверхности управления, чем центр давления поверхности управления, движение, генерируемое язычком, может соответствовать движению, генерируемому поверхностью управления. Положение руля на своей оси будет меняться до тех пор, пока крутящий момент от руля и триммерной поверхности не уравновесят друг друга. [ нужна цитата ]

устойчивость по рысканию

Вертикальное оперение играет определяющую роль в устойчивости по рысканью, обеспечивая большую часть необходимого восстанавливающего момента относительно центра тяжести при буксовании самолета. Устойчивость к рысканью обычно определяется количественно с использованием производной коэффициента момента по углу отклонения от курса. [6]

На поток воздуха над вертикальным оперением часто влияют фюзеляж, крылья и двигатели самолета как по величине, так и по направлению. [6] Основное крыло и горизонтальный стабилизатор, если они имеют большую стреловидность , могут существенно способствовать устойчивости по рысканью; крылья, сдвинутые назад, имеют тенденцию увеличивать устойчивость по рысканью. Однако стреловидность крыла и горизонтального оперения обычного самолета не влияет на балансировку самолета по рысканью. [6]

Двугранность основного крыла и горизонтальное оперение также могут оказывать небольшое влияние на статическую устойчивость по рысканию. Этот эффект сложен и связан с эффектом стреловидности крыла и обтекания фюзеляжа. [6]

Пропеллеры , особенно когда они продвигаются так, что их ось составляет угол со скоростью набегающего потока , могут влиять на статическую устойчивость самолета при рыскании. [6]

Соединение с рулоном

Вертикальное оперение влияет на поведение самолета при крене , поскольку его аэродинамический центр обычно находится намного выше центра тяжести самолета. [1] Когда самолет скользит вправо, относительный ветер и боковая сила, действующая на вертикальное оперение, преобразуются в момент крена, направленный против часовой стрелки. [6]

Сверхзвуковой полет

Двойные брюшные плавники на F-16

В сверхзвуковом полете вертикальное оперение становится все менее эффективным с увеличением числа Маха, пока потеря устойчивости не станет неприемлемой. [11] Устойчивость снижается, поскольку подъемная сила, или боковая сила, создаваемая хвостом, уменьшается со скоростью для каждого градуса угла бокового скольжения (наклон кривой подъемной силы). Это является результатом совсем другого распределения давления с ударными волнами и волнами расширения по сравнению с дозвуковым. [12] Для достижения необходимой устойчивости на максимальной эксплуатационной скорости самолета вертикальное оперение может быть увеличено, как, например, на North American F-100 Super Sabre (начальная требуемая площадь киля была занижена). Дополнительную площадь можно увеличить за счет установки подфюзеляжных килей (например, на более скоростных более поздних версиях Vought F-8 Crusader ) или складывающихся законцовок крыла (например, на North American XB-70 Valkyrie ). Если больший хвост неприемлем, можно использовать автоматическое отклонение руля направления для увеличения боковой силы хвоста и восстановления курсовой устойчивости. Этот метод использовался на Avro Arrow . [13]

Срыв вертикального оперения

У основания вертикального оперения Боинга 737-300 виден спинной плавник.

Вертикальное оперение иногда имеет галтель или спинной плавник в переднем основании, что помогает увеличить угол сваливания вертикальной поверхности (что приводит к вихревой подъемной силе) и таким образом предотвратить явление, называемое блокировкой руля направления или реверсом руля направления. Блокировка руля направления происходит, когда сила, действующая на отклоненный руль направления (например, при устойчивом боковом скольжении ), внезапно меняет направление, когда вертикальное оперение останавливается. Это может привести к тому, что руль направления застрянет при полном отклонении, и пилот не сможет его отцентрировать. [14] Спинной плавник был введен в 1940-х годах, например, на Douglas DC-4 1942 года , раньше, чем обтекатели крыльев истребителей, разработанных в 1970-х годах, таких как F-16 . [15]

Структурные соображения

На руль направления и киль большого или быстрого самолета действует значительная сила, которая увеличивается с отклонением руля направления. Крайний случай возникает при отклонении от управляемого полета, известном как смещение, которое в контексте киля и руля направления представляет собой чрезмерное боковое скольжение. У больших транспортных самолетов стабилизирующий момент, необходимый для восстановления, исходит от киля, при этом отклонение руля направления практически не требуется. Этим самолетам не требуется выдерживать почти полное отклонение руля направления в таких обстоятельствах [16], поскольку вес конструкции, необходимый для предотвращения разрушения конструкции, сделает их коммерчески нежизнеспособными. Полная потеря киля и руля направления произошла на рейсе 587 American Airlines , когда пилоты использовали полное отклонение руля направления, следуя за очень большим самолетом. [17]

Турбулентность ясного воздуха привела к выходу из строя всего узла киля и руля направления на Boeing B-52 Stratofortress, после чего пилоты совершили успешную посадку. Бомбардировщики B-52, оснащенные приборами для учета порывов и маневренных нагрузок, зарегистрировали порывы от турбулентности ясного воздуха, значительно превышающие расчетный предел, с максимальными нагрузками на высоте 34 000 футов. [18]

Выход из строя киля прототипа English Electric Lightning T4 был вызван инерционным сцеплением кренов при выполнении кренов с высокой скоростью. Киль был увеличен, усилен и введены ограничения по скорости крена. Однако у первого Т5 также произошел отказ киля во время испытаний на быструю перекачку с выдвинутым ракетным ранцем. [19]

«Лайтнинг» потерял плавник из-за взаимодействия самолетов, находящихся в непосредственной близости на малой высоте, при полете строем на М 0,97, что представляло собой демонстрацию пилотажа. Были наложены ограничения, включая разделение самолетов в строю. [19]

Биение киля является критической проблемой для истребителей с двумя или одинарными килями, поскольку усталостный срок службы конструкции киля снижается из-за колебаний нагрузок, вызванных взрывными вихрями, воздействующими на киле. Единственный плавник Eurofighter Typhoon испытывает ударные нагрузки, вызванные взрывными вихрями, исходящими от утки и передней кромки крыла на больших углах атаки. Боковые части верхнего воздушного тормоза при отклонении также создают вихри, которые после взрыва ударяются о плавник. Удар от выдвинутого воздушного тормоза является наибольшим, когда эффективный угол атаки воздушного тормоза наибольший, который для полностью выдвинутого воздушного тормоза является наибольшим при малых углах атаки самолета и наименьшим при маневрировании. [20] Двойные стабилизаторы McDonnell Douglas F/A-18 Hornet подвержены ударам из-за поломки или разрыва вихря на передней кромке (LEX) перед хвостовым оперением. [21] Добавление ограждения LEX значительно снижает вибрации и увеличивает усталостный срок службы ребер. [22]

Конфигурации

Цельноповоротный хвостовой плавник

Самолетами с цельноповоротным оперением, но не поступившими на вооружение, были North American F-107 [24] и BAC TSR-2 . [25]

На Lockheed SR-71 Blackbird и North American X-15 использовались фиксированные заглушки для килей и рулей направления на оставшуюся высоту. Обычные рули направления были бы неподходящими для SR-71, поскольку в случае отказа двигателя потребовались бы чрезмерные отклонения, что привело бы к неприемлемому дифферентному сопротивлению. [26] Ранние конфигурации, предложенные для X-15, показывают обычный фиксированный киль и продольный руль направления, а также подфюзеляжный киль. Он был заменен на спинной и брюшной плавники, внешняя половина каждого из которых выполняла функцию руля направления. [27]

Несколько хвостовых плавников

Самолет с двойным хвостовым оперением имеет два вертикальных стабилизатора. Многие современные боевые самолеты используют эту конфигурацию. Сдвоенные рули направления могут использоваться в конфигурации с пониженным шасси для дополнительного продольного управления с схождением или развалом ( McDonnell Douglas F/A-18 Hornet [28] ). Двойные рули направления также используются в качестве воздушного тормоза, как в случае с Lockheed Martin F-22 Raptor , который использует дифференциальный руль направления вместе с другими отклонениями руля направления для управления скоростью, поскольку у него нет специального воздушного тормоза. [29]

Двойное хвостовое оперение может быть либо H-образным, с двойным килем/рулем направления, прикрепленным к одному фюзеляжу, как у среднего бомбардировщика North American B-25 Mitchell или Avro Lancaster , либо двухбалочным, где задняя часть планера состоит из двух отдельных конструкций стрелы каждая. с одним килем и рулем направления, соединенным горизонтальным стабилизатором, например, у North American Rockwell OV-10 Bronco или Armstrong Whitworth AW.660 Argosy .

Разновидность сдвоенного оперения, тройное оперение имеет три вертикальных стабилизатора. Avro Manchester эпохи Второй мировой войны получил третий плавник, когда исходного двойного плавника оказалось недостаточно. В Lockheed Constellation использовались три киля, чтобы обеспечить самолету необходимую площадь вертикального стабилизатора, в то же время сохраняя общую высоту достаточно низкой, чтобы он мог поместиться в ангарах для обслуживания.

V -образное хвостовое оперение не имеет отдельных вертикальных или горизонтальных стабилизаторов. Скорее, они объединены в поверхности управления, известные как рули направления , которые контролируют как тангаж, так и рыскание. Композиция выглядит как буква V и также известна как «хвост бабочки». Эту конфигурацию использует Beechcraft Bonanza Model 35 , как и Lockheed F-117 Nighthawk .

Крылья на толкающей утке конфигурации Rutan VariEze и Rutan Long-EZ , выполняющие функции одновременно законцовки крыла и вертикального стабилизатора. Этот элемент конструкции используется в нескольких других модификациях этих и других подобных самолетов.

Поворотный хвост

На Lockheed Jetstar использована необычная крестообразная конструкция . Для продольного дифферента все хвостовое оперение поворачивается вверх и вниз на 10 градусов относительно точки крепления в нижней части заднего лонжерона киля. [30] [31]

Складывание для хранения

Верхняя часть вертикального киля на North American A-5 Vigilante складывается в сторону из-за ограничения высоты палубы ангара.

Использование в автомобилестроении

Устройства, похожие на вертикальное оперение, использовались на таких автомобилях, как Jaguar D-type 1955 года или Lamborghini Veneno 2013 года . На гоночных автомобилях его основная цель - уменьшить внезапные опрокидывания, вызванные рысканием на высокой скорости, которые могут привести к перевороту автомобиля из-за подъемной силы при экстремальных углах отклонения от курса во время поворота или при вращении. [ нужна цитата ] С 2011 года вертикальный стабилизатор стал обязательным для всех недавно одобренных прототипов Ле-Мана . [32]

Некоторые команды Формулы 1 использовали вертикальный стабилизатор как способ нарушить поток воздуха к заднему крылу, уменьшая сопротивление. Наиболее радикальной системой является «F-образный воздуховод», установленный в McLaren MP4-25 2010 года и Ferrari F10 . По требованию водителя эта система перенаправляла воздух из воздуховода в передней части автомобиля через туннель в вертикальном киле на заднее крыло, чтобы остановить его и уменьшить сопротивление на прямых, где прижимная сила не нужна. [ нужна цитата ] Система была запрещена в сезоне Формулы-1 2011 года . [ нужна цитата ]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ abc Барнард, Р.Х.; Филпотт, Д.Р. (2010). Полет самолета (4-е изд.). Харлоу, Англия: Прентис Холл. ISBN 9780273730989.
  2. ^ Кумар, Бхарат (2005). Иллюстрированный словарь авиации . Нью-Йорк: МакГроу Хилл. п. 272. ИСБН 0-07-139606-3.
  3. ^ HHHurt Jr (1959) Аэродинамика для морских авиаторов , стр.285, Глава 4 - СТАБИЛЬНОСТЬ И УПРАВЛЕНИЕ, Путевая устойчивость
  4. ^ Дженкинсон, Ллиод Р.; Симпкин, Пол; Роудс, Даррен (1999). Проектирование гражданских реактивных самолетов . Рестон, Вирджиния: образовательная серия AIAA. ISBN 156347350X.
  5. ^ Аб Реймер, Дэниел П. (1999). Проектирование самолетов: концептуальный подход (3-е изд.). Рестон, Вирджиния: Американский институт аэронавтики и астронавтики. ISBN 1563472813.
  6. ^ abcdefg Филлипс, Уоррен Ф. (2010). Механика полета (2-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Wiley & Sons. ISBN 9780470539750.
  7. ^ Конструкция плавников для основ проектирования боевых самолетов - V, журнал Air International, январь 1980 г., стр.22
  8. ^ Отчет о авиационных происшествиях NTSB PB2001-910401, NTSB/AAR-01/01, DCA91MA023, стр. 16, примечание 11.
  9. ^ Отчет об авиационном происшествии NTSB PB2001-910401, NTSB/AAR-01/01, DCA91MA023, стр.14
  10. ^ Использование руля направления на самолетах транспортной категории, Технический бюллетень по производству полетов, Группа коммерческих самолетов Boeing, 13 мая 2002 г., стр.1
  11. ^ Проектирование для воздушного боя, Рэй Уитфорд, 1987, ISBN 0 7106 0426 2 , рис.204. 
  12. ^ Аэродинамика для военно-морских авиаторов, HHHurt Jr., Пересмотрено в январе 1965 г., NAVWEPS 00-80T-80, выдано Управлением начальника отдела авиационной подготовки военно-морских операций, стр. 287
  13. ^ Основы дизайна - V Fin Design For Combat Aircraft, BRA Burns, журнал Air International, январь 1980 г., стр. 23
  14. ^ "Веб-сайт НАСА по летному образованию" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 27 февраля 2009 г.
  15. ^ Бьорн Ферм (1 марта 2019 г.). «Уголок Бьорна: устойчивость по рысканью, часть 2». Лихэм Ньюс .
  16. ^ Использование руля направления на самолетах транспортной категории, Бюллетень FCOM A310/A300-600, март 2002 г., стр. 2
  17. ^ Национальный совет по безопасности на транспорте (26 октября 2004 г.). «Отделение вертикального стабилизатора в полете, рейс 587 Airbus Industrie A300-605R American Airlines, N14053, Белл-Харбор, Нью-Йорк, 12 ноября 2001 г.» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 30 апреля 2017 г. Проверено 5 октября 2021 г.
  18. ↑ Журнал Flight International, 13 мая 1965 г., стр.734.
  19. ^ ab Lightning From The Cockpit, Питер Кейгилл, 2004, ISBN 1 84415 082 8 , стр.98 
  20. ^ "Журнал авиации, сентябрь-октябрь 2008 г.: Том 45, выпуск 5" . Американский институт аэронавтики и астронавтики. 1 сентября 2008 г. - через Интернет-архив.
  21. ^ https://www.researchgate.net/publication/268365818_Realistic_Simulations_of_Delta_Wing_Aerodynamics_Using_Novel_CFD_Methods, на рисунке 3 показано разрушение вихря Hornet.
  22. ^ AGARD CP 494, Аэродинамика вихревых потоков, ISBN 92 835 0623 5 , стр. 12-2 
  23. ^ Тинкер, Фрэнк А. «Кто позвонит невидимому коту?» «Популярная механика» (журналы Hearst); Август 1969. стр. 94–97.
  24. ^ Проектирование самолетов: концептуальный подход, Дэниел П.Раймер, 1992, ISBN 0 930403 51 7 , стр.437 
  25. ^ Конструкция плавника для боевых самолетов, Основы проектирования V, BRA Burns, журнал Air International, январь 1980 г., стр.22
  26. ^ Аэродинамический и термодинамический дизайн самолетов серии F-12 в ретроспективе, Бен Р. Рич, J, Aircraft, Vol. II, №7, июль 1974 г., стр.404.
  27. ^ Hypersonic. История североамериканского X-15, Дженкинс и Лэндис, ISBN 978 1 58007 131 4 , стр. 35 и 188. 
  28. ^ «DTIC ADA284206: Летные испытания высокой поперечной асимметрии на сильно усовершенствованных истребителях / штурмовиках» . 23 июня 1994 года.
  29. ^ Кон, подполковник Аллен Э. и подполковник Стивен М. Рейни . «Обновление программы летных испытаний F-22». 9 апреля 1999 г. Архивировано из оригинала.
  30. ^ JetStar II, журнал Flight International, 2 июля 1977 г., стр.25,27.
  31. ^ "Авиационная неделя 1958-05-05" . 5 мая 1958 года.
  32. ↑ Эррипис, Лоаннис К. (13 декабря 2010 г.). «Новый Audi R18 LMP1». Robotpig.net . Архивировано из оригинала 26 августа 2011 года . Проверено 30 марта 2011 г.