.png/1280px-Alieron_A-44_(PSF).png)
Элерон (по-французски «маленькое крыло» или « плавник») — это шарнирная поверхность управления полетом , обычно образующая часть задней кромки каждого крыла самолета . Элероны используются попарно для управления самолетом по крену (или перемещению вокруг продольной оси самолета ), что обычно приводит к изменению траектории полета из-за наклона вектора подъемной силы . Движение вокруг этой оси называется «качкой» или «креном».
Существуют серьезные разногласия по поводу изобретения элеронов. Братья Райт и Гленн Кёртисс вели многолетнюю судебную тяжбу по поводу патента Райта 1906 года, в котором описывался метод деформации крыла для достижения бокового контроля. Братья одержали победу в нескольких судебных решениях, которые установили, что использование Кертиссом элеронов нарушает патент Райта. В конечном итоге Первая мировая война вынудила правительство США принять юридическое решение. Гораздо более ранняя концепция элеронов была запатентована в 1868 году британским учёным Мэтью Пирсом Уоттом Бултоном на основе его статьи 1864 года «О воздушном движении» .
Название «элерон» с французского языка, означающее «маленькое крыло», также относится к оконечностям крыльев птиц , используемых для управления их полетом. [1] [2] Впервые оно появилось в печати в 7-м издании Франко-английского словаря Касселла 1877 года, с основным значением «маленькое крыло». [3] В контексте самолетов с двигателем оно появляется в печати примерно в 1908 году. До этого элероны часто назывались рулями направления , их старшим техническим братом, без различия между их ориентацией и функциями, или, более описательно, горизонтальными рулями направления (в Французский, gouvernails Horizontaux ). Среди первых печатных упоминаний об использовании слова «элерон» в авиации было сообщение во французском авиационном журнале L'Aérophile за 1908 год. [4]
Элероны более или менее полностью вытеснили другие формы бокового управления, такие как деформация крыла , примерно к 1915 году, задолго до того, как функции руля направления и руля высоты были в значительной степени стандартизированы. Хотя ранее существовало много противоречивых утверждений относительно того, кто первым изобрел элерон и его функцию, т.е. управление по боковому или крену, [4] устройство управления полетом было изобретено и описано британским ученым и метафизиком Мэтью Пирсом Уоттом Бултоном в его статье 1864 года «О Воздушное передвижение . Он был первым, кто запатентовал систему управления элеронами в 1868 году. [4] [5] [6] [7]
Описание Боултоном своей системы бокового управления полетом было «первым имеющимся у нас свидетельством признания необходимости активного бокового управления в отличие от [пассивной боковой устойчивости]... С этим изобретением Бултона мы имеем рождение современного трехмоментный метод управления в воздухе», как похвалил Чарльз Мэнли . [8] Это также было поддержано К.Х. Гиббсом-Смитом. [9] [10] Британский патент Бултона № 392 от 1868 года, выданный примерно за 35 лет до того, как элероны были «заново изобретены» во Франции, был забыт и потерян из поля зрения до тех пор, пока устройство управления полетом не стало широко использоваться. [11] [Примечание 1] Гиббс-Смит несколько раз заявлял, что, если бы патент Бултона был раскрыт во время подачи юридических документов братьями Райт , они, возможно, не смогли бы претендовать на приоритет изобретения в области бокового управления полетом. машины. Тот факт, что братья Райт смогли получить патент в 1906 году, не лишил законной силы утерянное и забытое изобретение Бултона. [9]
Элероны не использовались на пилотируемых самолетах до тех пор, пока они не были использованы на планере Роберта Эно-Пельтери в 1904 году, [4] [12] , хотя в 1871 году французский военный инженер Шарль Ренар построил и управлял беспилотным планером, включающим элероны с каждой стороны. (которые он назвал «крыльями»), активируемые одноосным автопилотом с маятниковым управлением типа Бултона. [13]
Американский авиационный инженер-первопроходец Октав Шанют в 1903 году опубликовал описания и чертежи планера братьев Райт 1902 года в ведущем авиационном журнале того времени L'Aérophile . Это побудило французского военного инженера Эно-Пельтери построить Райт-Пельтери. Планер 1904 года, в котором вместо деформации крыла использовались элероны . [4] Французский журнал L'Aérophile затем опубликовал фотографии элеронов планера Эно-Пельтери, которые были включены в его статью в июне 1905 года, а впоследствии его элероны стали широко копироваться. [7] [14] [15]
Братья Райт использовали деформацию крыла вместо элеронов для управления креном на своем планере в 1902 году, а примерно в 1904 году их Flyer II был единственным самолетом своего времени, способным выполнять скоординированный разворот с креном. В первые годы полетов с двигателями Райты имели лучший контроль по крену в своих конструкциях, чем самолеты, в которых использовались подвижные поверхности. С 1908 года, когда конструкция элеронов была усовершенствована, стало ясно, что элероны гораздо более эффективны и практичны, чем деформация крыла. Элероны также имели то преимущество, что не ослабляли конструкцию крыла самолета, как и техника деформации крыла, [4] что было одной из причин решения Эно-Пельтери перейти на элероны. [15]
К 1911 году в большинстве бипланов использовались элероны, а не деформация крыла - к 1915 году элероны стали почти универсальными и на монопланах. Правительство США, разочарованное отсутствием достижений в области авиации в годы, предшествовавшие Первой мировой войне , ввело в действие патентный пул , фактически положив конец патентной войне братьев Райт . [16] [17] [18] В то время компания Райт незаметно изменила управление полетом своих самолетов с деформации крыла на использование элеронов.
Среди других, кто, как ранее считалось, первыми представили элероны, были:
Патентный поверенный братьев Райт в Огайо Генри Тулмин подал обширную заявку на патент, и 22 мая 1906 года братьям был предоставлен патент США 821393. [24] Важность патента заключалась в заявлении о новом и полезном методе управления самолетом . Заявка на патент включала требование о боковом управлении полетом самолета, которое не ограничивалось деформацией крыла, а посредством любых манипуляций с «…угловыми соотношениями боковых краев самолетов [крыльев].… противоположные направления». Таким образом, в патенте прямо указывалось, что для регулировки внешних частей крыльев самолета под разными углами с правой и левой стороны можно использовать и другие методы, помимо деформации крыла, для достижения контроля бокового крена. Почти в то же время Джон Дж. Монтгомери получил патент США 831173 [25] на свои методы деформации крыльев. И патент братьев Райт, и патент Монтгомери были рассмотрены и одобрены одним и тем же патентным экспертом Патентного ведомства США Уильямом Таунсендом. [26] В то время Таунсенд указал, что оба метода деформации крыльев были изобретены независимо и достаточно различались, чтобы оправдать выдачу собственного патента.
Многочисленные судебные решения США поддержали обширный патент Райта, который братья Райт стремились обеспечить соблюдением лицензионных сборов, начиная с 1000 долларов за самолет, [4] [27] и, как говорят, доходили до 1000 долларов в день. [28] По словам Луиса С. Кейси, бывшего куратора Смитсоновского музея авиации и космонавтики в Вашингтоне, округ Колумбия, и других исследователей, благодаря полученному ими патенту Райты твердо стояли на позиции, что все полеты с использованием контроля бокового крена , в любой точке мира, будет проводиться ими только по лицензии. [28]
Впоследствии братья Райты были втянуты в многочисленные судебные иски, которые они подали против авиастроителей, использовавших боковое управление полетом, в результате чего братьев обвинили в том, что они сыграли «...главную роль в отсутствии роста и конкуренции в авиационной промышленности в Соединенных Штатах по сравнению с другими странами». такие страны, как Германия, накануне и во время Первой мировой войны». [27] Последовали годы затяжного юридического конфликта со многими другими авиастроителями, пока США не вступили в Первую мировую войну, когда правительство навязало законодательное соглашение между сторонами, в результате чего Райтам были выплачены роялти в размере 1%. [28]
Сегодня до сих пор существуют противоречивые утверждения о том, кто первым изобрел элероны. Другие инженеры и ученые XIX века, в том числе Шарль Ренар , Альфонс Пено и Луи Муйар , описали подобные поверхности управления полетом. Другой метод управления боковым полетом, искривление крыла , также был описан или с которым экспериментировали несколько человек, в том числе Жан-Мари Ле Брис , Джон Монтгомери , Клемент Адер , Эдсон Галлодет , Д.Д. Уэллс и Хьюго Маттуллат. [4] [29] Историк авиации К. Х. Гиббс-Смит писал, что элерон был «… одним из самых замечательных изобретений… истории авиации, которое сразу же было упущено из виду». [4]
В 1906 году братья Райт получили патент не на изобретение самолета (существовавшего ряд десятилетий в виде планеров), а на изобретение системы аэродинамического управления, управляющей поверхностями летательного аппарата, в том числе бокового полета. управление, [30] хотя ранее были изобретены рули направления , рули высоты и элероны.
.jpg/1280px-Flight._Yak-52_(8169897047).jpg)
Пары элеронов обычно соединены между собой так, что когда один перемещается вниз, другой перемещается вверх: опускающийся элерон увеличивает подъемную силу на своем крыле, а поднимающийся элерон уменьшает подъемную силу на своем крыле, вызывая крен (также называемый «кренящий») момент относительно продольной оси самолета (который простирается от носа до хвоста самолета). [31] Элероны обычно располагаются возле законцовки крыла , но иногда также могут быть расположены ближе к основанию крыла . Современные авиалайнеры также могут иметь вторую пару элеронов на крыльях, причем эти 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 поворота самолета вправо приводит к рысканью влево. Когда самолет кренится, неблагоприятное отклонение от курса частично вызвано изменением сопротивления между левым и правым крылом. Поднимающееся крыло создает увеличенную подъемную силу, что приводит к увеличению индуцированного сопротивления . Опускающееся крыло создает меньшую подъемную силу, что приводит к уменьшению индуцированного сопротивления. Сопротивление профиля, вызванное отклонением элеронов, может еще больше увеличить разницу, наряду с изменениями в векторах подъемной силы, когда один вращается назад, а другой вращается вперед.
При скоординированном развороте неблагоприятное рыскание эффективно компенсируется использованием руля направления , что приводит к возникновению боковой силы на вертикальном оперении, которая противодействует неблагоприятному рысканию, создавая благоприятный момент рыскания. Другой метод компенсации - это «дифференциальные элероны», которые настроены таким образом, что опускающийся элерон отклоняется меньше, чем поднимающийся. В этом случае противодействующий момент рыскания создается за счет разницы в сопротивлении профиля между левым и правым законцовками крыла. Элероны Frize подчеркивают этот дисбаланс сопротивления профиля, выступая под крылом отклоненного вверх элерона, чаще всего за счет шарнирного соединения слегка позади передней кромки и вблизи нижней части поверхности, при этом нижняя часть передней кромки поверхности элеронов выступает немного ниже. нижнюю поверхность крыла, когда элерон отклоняется вверх, что существенно увеличивает сопротивление профиля с этой стороны. Элероны также могут быть предназначены для использования комбинации этих методов. [31]
Когда элероны находятся в нейтральном положении, крыло за пределами разворота развивает большую подъемную силу, чем противоположное крыло, из-за изменения воздушной скорости по размаху крыла, что приводит к продолжению крена самолета. Как только желаемый угол крена (степень поворота вокруг продольной оси) получен, пилот использует противоположные элероны, чтобы предотвратить увеличение угла крена из-за этого изменения подъемной силы по размаху крыла. Это незначительное противоположное использование контроля должно сохраняться на протяжении всего хода. Пилот также слегка поворачивает руль направления в том же направлении, что и разворот, чтобы противодействовать неблагоприятному рысканию и произвести «скоординированный» разворот, при котором фюзеляж параллелен траектории полета. Простой индикатор на приборной панели, называемый индикатором скольжения , также известный как «шар», указывает, когда такая координация достигнута. [31]
.jpg/1280px-Fokker_Dr._I_(117710246).jpg)
Силы управления могут быть чрезвычайно тяжелыми, особенно на более крупных и быстрых самолетах. Заимствование открытия у лодок о том, что увеличение площади поверхности управления вперед от шарнира облегчает необходимые силы, впервые появилось на элеронах во время Первой мировой войны, когда элероны были выдвинуты за пределы законцовки крыла и снабжены рупором перед шарниром. Наиболее известными примерами, известными как консольные элероны, являются Fokker Dr.I и Fokker D.VII . В более поздних примерах противовес был приведен в соответствие с крылом, чтобы улучшить контроль и уменьшить сопротивление. Сейчас это наблюдается реже из-за элеронов типа Frize [ необходимо пояснение ] , которые обеспечивают те же преимущества. [ нужна 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 пропеллеров вызывает противодействующее креновое движение в соответствии с третьим законом движения Ньютона , согласно которому каждое действие имеет равное и противоположное противодействие. Чтобы избавить пилота от необходимости оказывать постоянное давление на ручку управления в одном направлении (что вызывает утомление), предусмотрены триммеры для регулировки или обрезки давления, необходимого для предотвращения любого нежелательного движения. Сам язычок отклоняется по отношению к элерону, заставляя элерон двигаться в противоположном направлении. Триммеры бывают двух форм: регулируемые и фиксированные. Неподвижный триммер вручную изгибается до необходимой величины отклонения, а регулируемым триммером можно управлять из кабины, чтобы можно было компенсировать различные настройки мощности или положения полета. Некоторые крупные самолеты 1950-х годов (в том числе Canadair Argus ) использовали свободно плавающие поверхности управления, которыми пилот управлял только за счет отклонения триммеров, и в этом случае также были предусмотрены дополнительные язычки для точной настройки управления для обеспечения прямого и горизонтального полета. [ нужна цитата ]
Лопаты представляют собой плоские металлические пластины, обычно прикрепленные к нижней поверхности элерона перед шарниром элерона с помощью рычага. Они уменьшают силу, необходимую пилоту для отклонения элеронов, и часто встречаются на пилотажных самолетах. Когда элерон отклоняется вверх, лопатка создает нисходящую аэродинамическую силу, которая стремится повернуть весь узел так, чтобы еще больше отклонить элерон вверх. Размер лопатки (и ее рычага) определяет, какую силу пилоту необходимо приложить, чтобы отклонить элерон. Лопата работает так же, как рожок, но более эффективна из-за более длинного плеча момента . [ нужна цитата ]
Чтобы увеличить скорость, при которой флаттер поверхности управления ( аэроупругий флаттер ) может стать опасным, центр тяжести поверхности управления перемещается к линии шарнира этой поверхности. Для этого к передней части элеронов можно добавить свинцовые грузы. В некоторых самолетах конструкция элеронов может быть слишком тяжелой, чтобы позволить этой системе работать без чрезмерного увеличения веса элеронов. В этом случае вес можно добавить к рычагу, чтобы переместить вес далеко вперед к корпусу элерона. Эти балансиры имеют каплевидную форму (для уменьшения сопротивления), что сильно отличает их от лопат, хотя оба они выступают вперед и под элерон. Помимо снижения риска флаттера, балансировка масс также снижает силы на ручке, необходимые для перемещения поверхности управления при маневрах. [ нужна цитата ]
Некоторые конструкции элеронов, особенно при установке на стреловидных крыльях, включают ограждения, такие как ограждения крыла , расположенные заподлицо с их внутренней плоскостью, чтобы подавить часть размаха воздушного потока, проходящего по верхней части крыла, который имеет тенденцию нарушать ламинарный поток над ним. элерон при отклонении вниз. [ нужна цитата ]
Используемые в довоенную «эпоху пионеров» авиации и в первые годы Первой мировой войны, каждый из этих элеронов управлялся одним тросом, который поднимал элерон вверх. Когда самолет находился в состоянии покоя, элероны висели вертикально вниз. Этот тип элеронов использовался на бипланах Farman III 1909 года и Short 166 . «Обратная» версия этого, использующая деформацию крыла, существовала в более поздней версии Santos-Dumont Demoiselle , в которой законцовки крыла деформировались только «вниз». [32] Одним из недостатков этой установки была большая склонность к рысканию, чем даже при использовании базовых соединенных между собой элеронов. [33] В 1930-х годах на ряде легких самолетов использовались органы управления одностороннего действия, но использовались пружины для возврата элеронов в нейтральное положение при отпускании ручки управления.
_-_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)
Использовалось на первом в истории планере, чтобы иметь комбинацию органов управления «джойстик/руль направления», которая непосредственно привела к созданию современной системы управления полетом , Blériot VIII в 1908 году, [34] в некоторых конструкциях ранних самолетов использовались элероны с «законцовками крыла», где вся законцовка крыла поворачивалась для обеспечения управления по крену в виде отдельной поворотной поверхности управления по крену - AEA June Bug использовала такую форму как с экспериментальным немецким Fokker V.1 1916 года, так и с более ранними версиями Junkers J 7. Моноплан-демонстратор из цельнодюралюминиевого металла, использующий их - J 7 привел непосредственно к полностью дюралюминиевому металлическому немецкому истребителю Junkers DI 1918 года, который имел традиционные навесные элероны. Основная проблема с элеронами этого типа - опасная тенденция к сваливанию при агрессивном использовании, особенно если самолет уже находится под угрозой сваливания, поэтому их использование в первую очередь на прототипах и их замена на серийных самолетах более традиционными элеронами.
Инженер Лесли Джордж Фриз (1897–1979) из Bristol Airplane Company [36] разработал форму элеронов, которая поворачивается примерно на 25–30% линии хорды и вблизи нижней поверхности [1], чтобы уменьшить силы на ручке управления самолетом. стал быстрее в 1930-е годы. Когда элерон отклоняется вверх (чтобы крыло опустилось), передняя кромка элерона начинает выступать из-под нижней части крыла в поток воздуха под крылом. Момент передней кромки в воздушном потоке способствует перемещению задней кромки вверх, что уменьшает усилие на ручке. Движущийся вниз элерон также добавляет энергии пограничному слою. Край элерона направляет поток воздуха от нижней части крыла к верхней поверхности элерона, создавая таким образом подъемную силу, добавляемую к подъемной силе крыла. Это уменьшает необходимое отклонение элеронов. И биплан Canadian Fleet Model 2 1930 года, и популярный в США моноплан Piper J-3 Cub 1938 года имели элероны Frize в соответствии с конструкцией и помогли представить их широкой аудитории.
Заявленным преимуществом элеронов Frize является способность противодействовать неблагоприятному рысканию. Для этого передняя кромка элерона должна быть острой или тупо закругленной, что добавляет значительное сопротивление перевернутому элерону и помогает уравновешивать силу рыскания, создаваемую другим повернутым элероном. Это может добавить неприятный нелинейный эффект и/или потенциально опасную аэродинамическую вибрацию (флаттер). [37] Неблагоприятному моменту рыскания в основном противодействуют устойчивостью самолета по рысканью, а также использованием дифференциального движения элеронов. [38]
Элерон типа Фризе также образует щель, поэтому воздух плавно обтекает опущенный элерон, что делает его более эффективным на больших углах атаки. Элероны типа Фризе также могут быть рассчитаны на дифференциальное функционирование. Как и дифференциальный элерон, элерон типа Фризе не полностью устраняет неблагоприятное рыскание. Скоординированное использование руля направления по-прежнему необходимо при использовании элеронов. [35]
Тщательно спроектировав механические соединения, можно заставить верхний элерон отклоняться больше, чем нижний элерон (например, патент США № 1 565 097). [39] Это помогает снизить вероятность сваливания законцовок крыла при отклонении элеронов на больших углах атаки. Кроме того, последующая разница в сопротивлении уменьшает неблагоприятное отклонение от курса [40] (как также обсуждалось выше). Идея состоит в том, что потеря подъемной силы, связанная с поднятием элеронов, не влечет за собой штрафа, в то время как увеличение подъемной силы, связанное с опусканием элеронов, сводится к минимуму. Качающаяся пара на самолете всегда представляет собой разницу в подъемной силе между двумя крыльями. Конструктор из компании de Havilland изобрел простое и практичное соединение, и их классический британский биплан de Havilland Tiger Moth стал одним из самых известных самолетов и одним из первых, в которых использовались дифференциальные элероны. [41]
На самых ранних самолетах эпохи пионеров , таких как Wright Flyer и более поздние, 1909 года выпуска Blériot XI и Etrich Taube , [42] боковое управление осуществлялось путем поворота внешней части крыла так, чтобы увеличивать или уменьшать подъемную силу путем изменения угол атаки. Недостатками этого решения были нагрузка на конструкцию, большая нагрузка на органы управления и риск остановки борта из-за увеличенного угла атаки во время маневра. К 1916 году большинство конструкторов отказались от деформации крыла в пользу элеронов. Исследователи из НАСА и других организаций снова взглянули на деформацию крыльев, хотя и под новыми названиями. Версия НАСА представляет собой активное аэроупругое крыло X-53, в то время как ВВС США испытывали адаптивное совместимое крыло . [43] [44]
Спойлеры — это устройства, которые при выдвижении в поток воздуха над крылом нарушают воздушный поток и уменьшают создаваемую подъемную силу. Многие конструкции современных самолетов, особенно реактивные , используют спойлеры вместо или в дополнение к элеронам, например, F4 Phantom II и Northrop P-61 Black Widow , которые имели закрылки почти во всю ширину (на законцовках крыла были очень маленькие обычные элероны). также).
Все самолеты с двугранным углом имеют ту или иную форму сцепления с рысканьем и креном для повышения устойчивости. Обычные тренажеры, такие как Cessna серии 152/172, могут управляться только с помощью руля направления. Руль направления Боинга 737 имеет больший авторитет по крену самолета, чем элероны на больших углах атаки. Это привело к двум заметным авариям, когда руль направления заклинил в полностью отклоненном положении, что привело к опрокидыванию (см. Проблемы с рулем направления Boeing 737 ).
Некоторые самолеты, такие как Fokker Spin и модели планеров, лишены какого-либо бокового управления. В этих самолетах используется большее количество двугранных углов, чем в обычных самолетах. Отклонение руля направления приводит к рысканью и значительной дифференциальной подъемной силе крыла, создавая момент крена, вызываемый рысканием. Этот тип системы управления чаще всего встречается в семействе небольших самолетов Flying Flea и на более простых моделях планеров с двумя функциями (управление по тангажу и рысканию) или на моделях самолетов с 3 функциями (управление по тангажу, рысканью и дроссельной заслонке), таких как радио. -управляемые версии свободно летающей моторной модели «Олд Таймер».
В 1917 году по рекомендации комитета, сформированного помощником министра военно-морского флота (достопочтенным Франклином Д. Рузвельтом), в частном порядке был сформирован патентный пул самолетов, охвативший почти всех производителей самолетов в Соединенных Штатах.
Создание Ассоциации производителей самолетов имело решающее значение для правительства США, поскольку два основных держателя патентов, компания Райт и компания Кертисс, фактически заблокировали производство любых новых самолетов, которые были крайне необходимы, поскольку Соединенные Штаты вступали в мировую войну. Я.
Эту необычную договоренность можно было бы истолковать как нарушение антимонопольного законодательства, но, к счастью, это не так.
Это служило явной экономической цели: не дать обладателю единственного патента на важнейший компонент задержать создание целого самолета.
Практически пул не оказал никакого влияния ни на структуру рынка, ни на технологический прогресс.
Скорость, безопасность и надежность самолетов американского производства неуклонно улучшались за годы существования пула (до 1975 года).
За это время несколько фирм владели большими долями рынка коммерческих самолетов: Douglas, Boeing, Lockheed, Convair и Martin, но ни одна из них не доминировала на нем долгое время.
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )
