Поверхности управления полетом самолета представляют собой аэродинамические устройства , позволяющие пилоту регулировать и контролировать положение самолета в полете .
Разработка эффективного набора поверхностей управления полетом стала важнейшим достижением в развитии самолетов. Ранние попытки проектирования самолетов с неподвижным крылом позволили создать достаточную подъемную силу, чтобы оторвать самолет от земли, но, поднявшись в воздух, самолет оказался неуправляемым, что часто приводило к катастрофическим результатам. Разработка эффективных средств управления полетом позволила обеспечить стабильный полет.
В данной статье описаны рулевые поверхности, используемые на самолетах традиционной конструкции. В других конфигурациях самолетов могут использоваться другие поверхности управления, но основные принципы остаются неизменными. Органы управления (ручка и руль направления) винтокрылых самолетов ( вертолета или автожира ) выполняют те же движения вокруг трех осей вращения , но управляют вращающимися органами управления полетом ( диском несущего винта и диском хвостового винта ) совершенно другим способом.
Поверхности управления полетом управляются системами управления полетом самолета .
Рули направления, рассматриваемые как обобщенная поверхность управления жидкостью , в частности, используются самолетами и водными транспортными средствами совместно .
Братьям Райт приписывают разработку первых практических рулей. Это основная часть их патента на полеты. [1] В отличие от современных рулей, они использовали деформацию крыла . [2] Пытаясь обойти патент Райта , Гленн Кертисс изобрел шарнирные рулевые поверхности, концепцию того же типа, впервые запатентованную примерно четырьмя десятилетиями ранее в Соединенном Королевстве . Преимущество шарнирных рулей заключается в том, что они не вызывают напряжений, вызывающих деформацию крыла, и их легче встроить в конструкции.
Самолет может вращаться вокруг трех осей, которые перпендикулярны друг другу и пересекаются в его центре тяжести (ЦТ). Чтобы контролировать положение и направление, пилот должен иметь возможность контролировать вращение вокруг каждого из них.
Поперечная ось , также известная как поперечная ось , [3] проходит через самолет от законцовки крыла до законцовки крыла. Вращение вокруг этой оси называется шагом . Подача изменяет вертикальное направление, на которое указывает нос самолета. Рули высоты являются основными поверхностями управления подачей.
Продольная ось проходит через самолет от носа до хвоста. Вращение вокруг этой оси называется креном . [3] Угловое смещение вокруг этой оси называется креном. [4] Пилот меняет угол крена, увеличивая подъемную силу на одном крыле и уменьшая ее на другом. Этот дифференциальный подъем вызывает вращение вокруг продольной оси. Элероны являются основным органом управления креном. Руль также оказывает вторичное воздействие на крен .
Вертикальная ось проходит через самолет сверху вниз. Вращение вокруг этой оси называется рысканием . [3] Рыскание изменяет направление носа самолета: влево или вправо. Основное управление рысканьем осуществляется с помощью руля направления. Элероны также оказывают вторичное влияние на рыскание.
Важно отметить, что эти оси движутся вместе с самолетом и изменяются относительно земли по мере движения самолета. Например, у самолета, левое крыло которого направлено прямо вниз, его «вертикальная» ось параллельна земле, а «поперечная» ось перпендикулярна земле.
Основные поверхности управления самолета прикреплены к планеру на шарнирах или гусеницах, поэтому они могут перемещаться и тем самым отклонять проходящий над ними воздушный поток. Это перенаправление воздушного потока создает неуравновешенную силу, вращающую плоскость вокруг соответствующей оси.
.png/1280px-Alieron_A-44_(PSF).png)
Элероны установлены на задней кромке каждого крыла возле законцовок крыла и движутся в противоположных направлениях. Когда пилот перемещает ручку управления влево или поворачивает штурвал против часовой стрелки, левый элерон поднимается вверх, а правый элерон опускается. Поднятый элерон уменьшает подъемную силу на этом крыле, а опущенный увеличивает подъемную силу, поэтому перемещение ручки влево приводит к падению левого крыла и подъему правого крыла. Это заставляет самолет крениться влево и начинать разворачиваться влево. Центрирование ручки управления возвращает элероны в нейтральное положение, сохраняя угол крена . Самолет будет продолжать поворачиваться до тех пор, пока противоположное движение элеронов не вернет угол крена до нуля, чтобы лететь прямо.
Руль высоты представляет собой подвижную часть горизонтального стабилизатора , шарнирно прикрепленную к задней части неподвижной части горизонтального оперения. Лифты движутся вверх и вниз вместе. Когда пилот тянет ручку назад, рули высоты поднимаются. Нажатие ручки вперед заставляет лифты опускаться. Поднятые рули высоты давят на хвост и заставляют нос подниматься вверх. Это заставляет крылья летать под большим углом атаки , что создает большую подъемную силу и большее сопротивление . Центрирование ручки возвращает рули высоты в нейтральное положение и останавливает изменение шага. Некоторые самолеты, такие как MD-80 , используют сервопривод на поверхности руля высоты для аэродинамического перемещения основной поверхности в нужное положение. Таким образом, направление перемещения язычка управления будет в направлении, противоположном основной поверхности управления. Именно по этой причине хвостовое оперение МД-80 выглядит так, как будто оно имеет «разделенную» систему руля высоты.
В конструкции «утка» рули высоты прикреплены шарнирно к задней части носовой части самолета и движутся в противоположном направлении, например, когда пилот тянет ручку назад, рули высоты опускаются, чтобы увеличить подъемную силу спереди и поднять нос вверх.
Руль направления обычно устанавливается на задней кромке вертикального стабилизатора , являющегося частью хвостового оперения . Когда пилот нажимает левую педаль, руль направления отклоняется влево. При нажатии на правую педаль руль направления отклоняется вправо. Отклонение руля направления вправо толкает хвост влево и заставляет нос отклоняться вправо. Центрирование педалей руля направления возвращает руль направления в нейтральное положение и останавливает рыскание.
Элероны в первую очередь контролируют крен. Всякий раз, когда подъемная сила увеличивается, индуктивное сопротивление также увеличивается. Когда ручка перемещается влево, чтобы перевернуть самолет влево, правый элерон опускается, что увеличивает подъемную силу на правом крыле и, следовательно, увеличивает индуцированное сопротивление на правом крыле. Использование элеронов вызывает неблагоприятное рыскание , то есть нос самолета отклоняется в направлении, противоположном направлению применения элеронов. При перемещении ручки влево для крена крыльев при неблагоприятном рыскании нос самолета смещается вправо . Неблагоприятное рыскание более выражено у легких самолетов с длинными крыльями, например у планеров. Ему противодействует пилот с помощью руля направления. Дифференциальные элероны - это элероны, которые настроены таким образом, что опускающийся элерон отклоняется меньше, чем движущийся вверх, что уменьшает неблагоприятное отклонение от курса.
Руль направления — это основная поверхность управления, которая обычно управляется педалями, а не ручкой управления. Это основное средство управления рысканьем — вращение самолета вокруг вертикальной оси. Руль направления также может использоваться для противодействия неблагоприятному рысканию, создаваемому поверхностями управления креном.
Если руль направления постоянно используется в горизонтальном полете, самолет сначала будет отклоняться от курса в направлении примененного руля направления – основной эффект руля направления. Через несколько секунд самолет начнет крениться в направлении рыскания. Первоначально это возникает из-за увеличения скорости крыла, противоположного направлению рыскания, и уменьшения скорости другого крыла. Более быстрое крыло создает большую подъемную силу и поэтому поднимается, в то время как другое крыло имеет тенденцию опускаться, поскольку создает меньшую подъемную силу. Продолжительное использование руля направления сохраняет тенденцию к крену, поскольку самолет, летящий под углом к потоку воздуха, скользит в сторону переднего крыла. При использовании правого руля направления на самолете с двугранным углом левое крыло будет иметь увеличенный угол атаки, а правое крыло - уменьшенный угол атаки, что приведет к крену вправо. Самолет с ангедралом покажет противоположный эффект. Этот эффект руля направления обычно используется в моделях самолетов, где, если в конструкцию крыла включен достаточный двугранник или многогранник, основное управление креном, такое как элероны, можно вообще исключить.
В отличие от поворота лодки, изменение направления самолета обычно осуществляется с помощью элеронов, а не руля направления. Руль направления поворачивает (рыскает) самолет, но мало влияет на направление его движения. В самолетах изменение направления вызвано горизонтальной составляющей подъемной силы, действующей на крылья. Пилот наклоняет подъемную силу, перпендикулярную крыльям, в направлении предполагаемого разворота, вкатывая самолет в разворот. По мере увеличения угла крена подъемную силу можно разделить на две составляющие: одну, действующую вертикально, и другую, действующую горизонтально.
Если общая подъемная сила остается постоянной, вертикальная составляющая подъемной силы уменьшится. Поскольку вес самолета не изменился, это может привести к снижению самолета, если ему не противодействовать. Для поддержания горизонтального полета требуется увеличение положительного (вверх) руля высоты, чтобы увеличить угол атаки, увеличить общую создаваемую подъемную силу и сохранить вертикальную составляющую подъемной силы равной весу самолета. Это не может продолжаться бесконечно. Общий коэффициент перегрузки , необходимый для поддержания горизонтального полета, напрямую связан с углом крена . Это означает, что при заданной воздушной скорости горизонтальный полет может поддерживаться только до определенного заданного угла крена. За пределами этого угла крена самолет столкнется с ускоренным сваливанием , если пилот попытается создать достаточную подъемную силу для поддержания горизонтального полета.
Некоторые конфигурации самолетов имеют нестандартные основные органы управления. Например, вместо рулей высоты в задней части стабилизаторов угол может менять весь хвостовой стабилизатор . Некоторые самолеты имеют хвостовое оперение в форме буквы V , а подвижные части в задней части совмещают в себе функции руля высоты и руля направления. Самолеты с треугольным крылом могут иметь в задней части крыла « элевоны », совмещающие в себе функции рулей высоты и элеронов.
На самолетах с низким лобовым сопротивлением, таких как планеры , спойлеры используются для нарушения потока воздуха над крылом и значительного уменьшения подъемной силы. Это позволяет пилоту планера терять высоту, не набирая при этом чрезмерную воздушную скорость. Спойлеры иногда называют «самосвалами». Спойлеры, которые можно использовать асимметрично, называются спойлеронами и могут влиять на крен самолета.
Закрылки установлены на задней кромке внутренней части каждого крыла (возле корней крыла). Они отклоняются вниз для увеличения эффективной кривизны крыла. Закрылки повышают максимальный коэффициент подъемной силы самолета и, следовательно, уменьшают скорость его сваливания. [5] Они используются во время полета на низкой скорости и под большим углом атаки, включая взлет и снижение для приземления. Некоторые самолеты оснащены « флаперонами », которые чаще называют « внутренними элеронами » . Эти устройства функционируют в основном как элероны, но на некоторых самолетах они «опускаются» при раскрытии закрылков, действуя таким образом как закрылок, так и внутренний элерон управления креном.
Предкрылки , также известные как устройства передней кромки , представляют собой удлинения передней части крыла для увеличения подъемной силы и предназначены для уменьшения скорости сваливания за счет изменения воздушного потока над крылом. Предкрылки могут быть фиксированными или выдвижными. Неподвижные предкрылки (например, как на Fieseler Fi 156 Storch ) обеспечивают превосходные возможности низкой скорости и короткого взлета и посадки , но ухудшают характеристики более высокой скорости. Выдвижные предкрылки, которые можно увидеть на большинстве авиалайнеров, обеспечивают снижение скорости сваливания при взлете и посадке, но убираются во время крейсерского полета.
Пневматические тормоза используются для увеличения лобового сопротивления. Спойлеры могут действовать как пневматические тормоза, но не являются чисто пневматическими тормозами, поскольку они также функционируют как подъемно-самосвалы или, в некоторых случаях, как поверхности управления креном. Воздушные тормоза обычно представляют собой поверхности, которые отклоняются наружу от фюзеляжа (в большинстве случаев симметрично на противоположных сторонах) в воздушный поток, чтобы увеличить геометрическое сопротивление. Поскольку в большинстве случаев они расположены в другом месте самолета, они не влияют напрямую на подъемную силу, создаваемую крылом. Их цель – замедлить самолет. Они особенно полезны, когда требуется высокая скорость снижения. Они распространены на высокопроизводительных военных самолетах, а также на гражданских самолетах, особенно на тех, у которых нет возможности реверса тяги.
Органы управления триммированием позволяют пилоту сбалансировать подъемную силу и сопротивление, создаваемые крыльями и поверхностями управления, в широком диапазоне нагрузки и скорости полета. Это уменьшает усилия, необходимые для регулировки или поддержания желаемого положения в полете .
Триммер руля высоты уравновешивает управляющую силу, необходимую для поддержания правильной аэродинамической силы на хвосте и балансировки самолета. При выполнении определенных летных упражнений может потребоваться значительная балансировка для поддержания желаемого угла атаки. В основном это относится к медленному полету , когда требуется положение носа вверх, что, в свою очередь, требует большого дифферента, в результате чего хвостовое оперение оказывает сильную прижимную силу. Триммирование руля высоты коррелирует со скоростью воздушного потока над хвостом, поэтому изменения скорости полета самолета требуют повторного триммирования. Важным конструктивным параметром самолета является устойчивость самолета при балансировке для горизонтального полета. Любые возмущения, такие как порывы ветра или турбулентность, будут подавлены в течение короткого периода времени, и самолет вернется к своей балансированной воздушной скорости в горизонтальном полете.
За исключением очень легких самолетов, триммеры рулей высоты не могут обеспечить желаемую силу и диапазон движения. Для обеспечения соответствующей балансирующей силы все горизонтальное оперение выполнено регулируемым по тангажу. Это позволяет пилоту выбирать именно нужную величину положительной или отрицательной подъемной силы хвостового оперения, одновременно уменьшая сопротивление рулей высоты.
Ружок управления — это часть рулевой поверхности, выступающая впереди точки поворота. Он создает силу, которая имеет тенденцию увеличивать отклонение поверхности, тем самым уменьшая управляющее давление, испытываемое пилотом. Рупоры управления также могут включать в себя противовес , который помогает сбалансировать орган управления и предотвратить его раскачивание в воздушном потоке. В некоторых конструкциях предусмотрены отдельные грузики, предотвращающие флаттер.
(В радиоуправляемых моделях самолетов термин «рупор» имеет другое значение) [6] [7]
В простейшей конструкции триммирование осуществляется с помощью механической пружины (или тарзанки ), которая добавляет соответствующую силу для усиления воздействия пилота на управление. Пружина обычно соединена с рычагом триммера руля высоты, чтобы пилот мог регулировать приложенную силу пружины.
Большинство самолетов имеют поверхность управления триммированием на руле высоты , но более крупные самолеты также имеют триммер для руля направления и еще один для элеронов. Триммер руля направления предназначен для противодействия любой асимметричной тяге двигателей. Триммирование элеронов предназначено для противодействия эффекту смещения центра тяжести от осевой линии самолета. Это может быть вызвано тем, что топлива или полезной нагрузки больше загружено на одну сторону самолета по сравнению с другой, например, когда в одном топливном баке больше топлива, чем в другом.
