Хвостовое оперение ( / ˌ ɑː m p ɪ ˈ n ɑː ʒ / или / ˈ ɛ m p ɪ n ɪ dʒ / ), также известное как хвостовое оперение или хвостовой узел , представляет собой конструкцию в задней части самолета, которая обеспечивает устойчивость во время полета, подобно перьям на стреле . [1] [2] [3] Термин происходит от французского глагола empenner , что означает « оперять стрелу». [4] Большинство самолетов имеют хвостовое оперение, включающее вертикальные и горизонтальные стабилизирующие поверхности, которые стабилизируют динамику полета по рысканию и тангажу , [1] [2] а также размещающие поверхности управления .
Несмотря на эффективные поверхности управления, многие ранние самолеты, у которых отсутствовало стабилизирующее оперение, были фактически нелетучими. Даже так называемые « бесхвостые самолеты » обычно имеют хвостовой киль (обычно вертикальный стабилизатор ). Самолеты тяжелее воздуха без какого-либо оперения (например, Northrop B-2 ) редки и обычно используют специально сформированные аэродинамические профили , задняя кромка которых обеспечивает устойчивость по тангажу, и крылья, загнутые назад , часто с двугранным углом для обеспечения необходимой устойчивости по рысканию . В некоторых самолетах со стреловидными крыльями сечение аэродинамического профиля или угол атаки могут радикально меняться к кончику.
Структура
Основные компоненты хвостового оперения самолета.
Конструктивно оперение состоит из всего хвостового оперения, включая киль , хвостовое оперение и часть фюзеляжа , к которой они прикреплены. [1] [2] На авиалайнере это все летательные и управляющие поверхности за задним гермошпангоутом .
Передняя (обычно фиксированная) секция хвостового оперения называется горизонтальным стабилизатором и используется для обеспечения устойчивости по тангажу. Задняя секция хвостового оперения называется рулем высоты и представляет собой подвижный аэродинамический профиль , который управляет изменениями тангажа, движением носа самолета вверх и вниз. В некоторых самолетах горизонтальный стабилизатор и руль высоты представляют собой единое целое, и для управления тангажем весь блок движется как единое целое. Это известно как стабилизатор или полнопоточный стабилизатор . [1] [2]
Вертикальная структура хвоста имеет фиксированную переднюю секцию, называемую вертикальным стабилизатором , используемую для управления рысканием, то есть движением фюзеляжа справа налево, движением носа самолета. Задняя часть вертикального киля — это руль направления , подвижное аэродинамическое крыло, которое используется для поворота носа самолета вправо или влево. При использовании в сочетании с элеронами результатом является поворот с креном, скоординированный поворот , существенная черта движения самолета. [1] [2]
Некоторые самолеты оснащены хвостовым оперением, которое шарнирно закреплено для поворота в двух осях перед килем и стабилизатором, в конструкции, называемой подвижным хвостом . Все оперение вращается вертикально для приведения в действие горизонтального стабилизатора и вбок для приведения в действие киля. [5]
В некоторых самолетах предусмотрены триммерные устройства, устраняющие необходимость для пилота поддерживать постоянное давление на органы управления рулем высоты или направления. [5] [6]
Устройство для обрезки может быть:
триммер на задней части рулей высоты или направления , который изменяет аэродинамическую нагрузку на поверхность. Обычно управляется штурвалом или рукояткой кабины. [5] [7]
регулируемый стабилизатор , в который стабилизатор может быть вмонтирован на лонжероне и регулируемо поднят на несколько градусов по углу падения вверх или вниз. Обычно управляется рукояткой в кабине. [5] [8]
система регулировки натяжения пружины , которая использует пружину для обеспечения регулируемой предварительной нагрузки в элементах управления. Обычно управляется рычагом в кабине. [5] [6]
антисервоприводная вкладка, используемая для балансировки некоторых рулей высоты и стабилизаторов, а также для усиления ощущения силы управления. Обычно управляется штурвалом кабины или рукояткой. [5]
сервопривод , используемый для перемещения главной поверхности управления, а также выполняющий функции триммера. Обычно управляется штурвалом кабины или рукояткой. [5]
Многомоторные самолеты часто имеют триммеры на руле направления, чтобы уменьшить усилия пилота, необходимые для удержания самолета в прямолинейном положении в ситуациях асимметричной тяги, например, при работе одного двигателя. [7]
Конфигурации хвоста
Конструкции хвостового оперения самолетов можно в целом классифицировать в зависимости от конфигурации киля и хвостового оперения.
Общие формы отдельных поверхностей хвостового оперения (формы в плане хвостового оперения, профили килей) аналогичны формам в плане крыла .
Хвостовые стабилизаторы
Хвостовой стабилизатор состоит из хвостового фиксированного горизонтального стабилизатора и подвижного руля высоты. Помимо его формы в плане , он характеризуется:
Расположение хвостового оперения — устанавливается высоко, посередине или низко на фюзеляже, киле или хвостовых балках.
Фиксированный стабилизатор и подвижные поверхности руля высоты, или один комбинированный стабилизатор или «[полностью] летающий хвост». [9] ( General Dynamics F-111 Aardvark )
Некоторым местам даны особые названия:
Обычный хвост — вертикальный стабилизатор и горизонтальные стабилизаторы крепятся к задней части фюзеляжа. Это простейшая конфигурация, которая выполняет все три аспекта функции хвоста: балансировку, устойчивость и управление. [10] Около 60% современных конструкций самолетов [10] — и около 80% когда-либо [11] — включают этот тип хвоста. Примеры можно найти на самолетах любого размера и назначения, от типов авиации общего назначения, таких как вездесущий Cessna 172, до крупнейших когда-либо летавших авиалайнеров, таких как Airbus A380 . Примеры этого типа хвоста использовались еще в Blériot VII 1907 года.
Крестообразный хвост — горизонтальные стабилизаторы расположены посередине вертикального стабилизатора, создавая вид креста при взгляде спереди. Крестообразные хвосты часто используются для того, чтобы горизонтальные стабилизаторы не попадали в след двигателя, избегая при этом многих недостатков Т-образного хвоста . Примерами служат Hawker Sea Hawk и Douglas A-4 Skyhawk .
T-образное хвостовое оперение – горизонтальный стабилизатор устанавливается на верхней части киля, создавая форму «Т» при взгляде спереди. T-образные хвостовые оперения удерживают стабилизаторы вне следа двигателя и обеспечивают лучшее управление по тангажу. T-образные хвостовые оперения имеют хорошее качество планирования и более эффективны на низкоскоростных самолетах. Однако у T-образного хвостового оперения есть несколько недостатков. Оно более склонно входить в глубокий свал , и его сложнее выводить из штопора. По этой причине небольшой вторичный стабилизатор или хвостовой обтекатель может быть установлен ниже, где он будет находиться в свободном воздухе, когда самолет заглохнет. [12] T-образное хвостовое оперение должно быть прочнее и, следовательно, тяжелее обычного хвостового оперения. T-образные хвостовые оперения также, как правило, имеют большую эффективную площадь рассеяния . Примерами являются Gloster Javelin и McDonnell Douglas DC-9 .
Плавники
Плавник состоит из фиксированного вертикального стабилизатора и руля направления. Помимо своего профиля , он характеризуется:
Количество плавников – обычно один или два.
Расположение килей – на фюзеляже (над или под ним), хвостовом оперении, хвостовых балках или крыльях.
Двойные ребра могут быть установлены в различных точках:
Подфюзеляжный плавник – под фюзеляжем. Часто используется в дополнение к обычному плавнику, как на ( North American X-15 и Dornier Do 335 ).
V-, Y- и X-образные хвосты
Альтернативой подходу fin-and-tailplane являются конструкции V-tail и X-tail. Здесь хвостовые поверхности установлены под диагональными углами, причем каждая поверхность вносит вклад как в тангаж, так и в рыскание. Управляющие поверхности, иногда называемые ruddervators , действуют дифференцированно, обеспечивая управление рысканием (вместо руля направления), и действуют совместно, обеспечивая управление тангажом (вместо руля высоты). [1]
V-образный хвост: V-образный хвост может быть легче обычного хвоста в некоторых ситуациях и производить меньшее сопротивление, как на учебном самолете Fouga Magister , Northrop Grumman RQ-4 Global Hawk RPV и космическом корабле X-37 . V-образный хвост также может иметь меньшую радиолокационную сигнатуру. Другие самолеты с V-образным хвостом включают Beechcraft Model 35 Bonanza и Davis DA-2 . Небольшую модификацию V-образного хвоста можно найти на Waiex и Monnett Moni, называемую Y-образным хвостом.
Перевернутый V-образный хвост: беспилотный Predator использует перевернутый V-образный хвост, как и Lazair и Mini-IMP .
Y-образный хвост : V-образный хвост с добавленным нижним вертикальным килем (обычно используется для защиты заднего винта), как у LearAvia Lear Fan.
X-образный хвост: Lockheed XFV имел X-образный хвост, который был усилен и снабжен колесами на каждой поверхности, чтобы аппарат мог сидеть на хвосте, взлетать и приземляться вертикально.
Внешний хвост
SpaceShipOne в Национальном музее авиации и космонавтики США
Внешний хвост разделен на две части, каждая из которых установлена на короткой балке сразу за и снаружи каждого конца крыла. Он включает в себя внешние горизонтальные стабилизаторы (OHS) и может включать или не включать дополнительные вертикальные стабилизаторы (плавники), установленные на балке. В этом положении поверхности хвоста конструктивно взаимодействуют с вихрями законцовки крыла и, при тщательном проектировании, могут значительно снизить сопротивление для повышения эффективности, не добавляя чрезмерно структурных нагрузок на крыло. [13]
Конфигурация была впервые разработана во время Второй мировой войны Ричардом Фогтом и Джорджем Хаагом в Blohm & Voss . Skoda-Kauba SL6 испытала предложенную систему управления в 1944 году, и после нескольких предложений по конструкции был получен заказ на Blohm & Voss P 215 всего за несколько недель до окончания войны. [14] [15] Внешний хвост снова появился на Scaled Composites SpaceShipOne в 2003 году и SpaceShipTwo в 2010 году. [16]
Бесхвостый самолет (часто бесхвостый ) традиционно имеет все свои горизонтальные поверхности управления на своей основной поверхности крыла. У него нет горизонтального стабилизатора - либо хвостового оперения, либо переднего руля (и у него нет второго крыла в тандемном расположении). Тип «бесхвостого» обычно все еще имеет вертикальный стабилизирующий киль ( вертикальный стабилизатор ) и поверхность управления ( руль направления ). Однако НАСА приняло описание «бесхвостого» для нового исследовательского самолета X-36 , у которого есть передний руль, но нет вертикального киля. [ необходима цитата ]
Наиболее успешной конфигурацией «бесхвостого» крыла является дельтавидное крыло , особенно для боевых самолетов. [ необходима цитата ]
^ abcdef Крейн, Дейл: Словарь авиационных терминов, третье издание , стр. 194. Aviation Supplies & Academics, 1997. ISBN 1-56027-287-2
^ abcde Aviation Publishers Co. Limited, From the Ground Up , стр. 10 (27-е пересмотренное издание) ISBN 0-9690054-9-0
↑ Ассоциация воздушного транспорта (10 ноября 2011 г.). "ATA Airline Handbook Chapter 5: How Aircraft Fly". Архивировано из оригинала 10 ноября 2011 г. Получено 5 марта 2013 г.
^ "Empennage". Oxford Dictionaries Online . Oxford Dictionaries. Архивировано из оригинала 22 июля 2012 г. Получено 5 марта 2013 г.
^ abcdefg Aviation Publishers Co. Limited, From the Ground Up , стр. 14 (27-е пересмотренное издание) ISBN 0-9690054-9-0
^ ab Transport Canada : Руководство по летной подготовке, 4-е издание , стр. 12. Gage Educational Publishing Company, 1994. ISBN 0-7715-5115-0
↑ Крейн, Дейл: Словарь авиационных терминов, третье издание , стр. 524. Aviation Supplies & Academics, 1997. ISBN 1-56027-287-2
^ Андерсон, Джон Д., Введение в полет , 5-е изд., стр. 517
^ Мохаммад Х. Садрей, Проектирование самолетов: системный инженерный подход , Wiley 2013, стр. 289
^ Снорри Гудмундссон, Проектирование самолетов авиации общего назначения: прикладные методы и процедуры , Elsevier Science 2013, стр. 483
^ Ральф Д. Кимберлин, Летные испытания самолетов с фиксированным крылом , AIAA 2003, стр. 380.
↑ Курт В. Мюллер; «Анализ конструкции полубесхвостого самолета» (магистерская диссертация), Военно-морская аспирантура, США, 2002 г. [1] Архивировано 23 ноября 2022 г. на Wayback Machine.
^ Зденек Титц и Ярослав Зазвонил; «Карлики Каубы», Flying Review International , ноябрь 1965 г., стр. 169–172.
^ Польманн, Герман. Хроник Эйнес Флюгцойгверкес 1932-1945. B&V – Blohm & Voss Hamburg – HFB Hamburger Flugzeugbau (на немецком языке). Motor Buch Verlag, 1979 ISBN 3-87943-624-X .
↑ Бенджамин Дарренуг; «Конфигурации самолетов с внешними горизонтальными стабилизаторами» (отчет по итоговому проекту), Университет Квинса в Белфасте, 14 мая 2004 г.[2]
