Хвостовое оперение , также известное как горизонтальный стабилизатор , представляет собой небольшую подъемную поверхность, расположенную на хвосте ( хвостовом оперении ) позади основных подъемных поверхностей самолета с фиксированным крылом , а также других самолетов с нефиксированным крылом, таких как вертолеты и автожиры . Не все самолеты с фиксированным крылом имеют хвостовое оперение. Утки , бесхвостые самолеты и самолеты с летающим крылом не имеют отдельного хвостового оперения, в то время как в самолетах с V-образным хвостовым оперением вертикальный стабилизатор , руль направления , хвостовое оперение и руль высоты объединены, образуя две диагональные поверхности в V-образной компоновке.
Функция хвостового оперения — обеспечение устойчивости и контроля. В частности, хвостовое оперение помогает приспосабливаться к изменениям положения центра давления или центра тяжести, вызванным изменениями скорости и положения, расхода топлива или сбросом груза или полезной нагрузки.
Хвостовое оперение состоит из хвостового фиксированного горизонтального стабилизатора и подвижного руля высоты . Помимо его формы в плане , он характеризуется:
Некоторым местам даны особые названия:
Крыло с обычным профилем аэродинамического профиля вносит отрицательный вклад в продольную устойчивость. Это означает, что любое возмущение (например, порыв ветра), которое поднимает нос, создает момент тангажа носа вверх, который стремится поднять нос еще выше. При том же возмущении наличие хвостового оперения создает восстанавливающий момент тангажа носа вниз, который может противодействовать естественной неустойчивости крыла и сделать самолет продольно устойчивым (во многом так же, как флюгер всегда указывает на ветер).
Продольная устойчивость самолета может измениться, если он летит «без участия человека», то есть когда органы управления полетом подвержены воздействию аэродинамических сил, а не сил, прилагаемых пилотом.
Помимо создания восстанавливающей силы (которая сама по себе вызвала бы колебательное движение), хвостовой стабилизатор обеспечивает демпфирование. Это вызвано относительным ветром, воспринимаемым хвостом, когда самолет вращается вокруг центра тяжести. Например, когда самолет колеблется, но на мгновение выравнивается с общим движением транспортного средства, хвостовой стабилизатор все еще воспринимает относительный ветер, который противодействует колебанию.
В зависимости от конструкции самолета и режима полета его хвостовое оперение может создавать положительную или отрицательную подъемную силу (прижимную силу). Иногда предполагается, что на устойчивом самолете это всегда будет чистая прижимная сила, но это неверно. [2]
В некоторых пионерских конструкциях, таких как Bleriot XI , центр тяжести находился между нейтральной точкой и хвостовым оперением, что также обеспечивало положительную подъемную силу. Однако такое расположение может быть нестабильным, и эти конструкции часто имели серьезные проблемы с управлением. Требования к устойчивости не были поняты до незадолго до Первой мировой войны — эпохи, в течение которой британский легкий биплан Bristol Scout был разработан для гражданского использования, с аэродинамическим подъемным хвостом на протяжении всего его производства в первые годы Первой мировой войны и британской военной службы с 1914 по 1916 год — когда было осознано, что перемещение центра тяжести дальше вперед позволяет использовать неподъемное хвостовое оперение, в котором подъемная сила номинально не является ни положительной, ни отрицательной, а равна нулю, что приводит к более устойчивому поведению. [3] Более поздние примеры самолетов с Первой мировой войны и далее в межвоенные годы , которые имели хвостовые стабилизаторы с положительной подъемной силой, включают в себя, в хронологическом порядке, Sopwith Camel , Spirit of St. Louis Чарльза Линдберга , Gee Bee Model R Racer — все самолеты с репутацией сложных в управлении, и более простой в управлении двухместный канадский учебный биплан Fleet Finch , сам по себе обладающий плоским днищем аэродинамического профиля хвостового стабилизатора, не отличающегося от более раннего Bristol Scout. Но при осторожности подъемный хвостовой стабилизатор можно сделать устойчивым. Примером может служить перехватчик Bachem Ba 349 Natter VTOL с ракетным двигателем, который имел подъемный хвост и был как устойчивым, так и управляемым в полете. [4]
Некоторые самолеты и режимы полета могут потребовать от хвостового оперения создания значительной прижимной силы. Это особенно актуально при медленном полете и под большим углом атаки (AoA). На некоторых типах потребность в этом режиме полета была настолько экстремальной, что это приводило к сваливанию хвостового оперения. На Gloster Meteor T.7 сваливание могло быть вызвано турбулентностью при срабатывании воздушных тормозов. На McDonnell Douglas F-4 Phantom II это изначально происходило во время взлета и захода на посадку, и предкрылки передней кромки были установлены на хвостовом оперении в перевернутом положении, чтобы поддерживать плавный поток воздуха и прижимную силу «подъемной силы» при большом угле атаки. Учебному самолету Pilatus P-3 требовался подфюзеляжный киль для устранения аналогичного эффекта при вращении , в то время как McDonnell Douglas T-45 Goshawk страдал от избыточного скоса потока воздуха от крыла при выпуске закрылков , что потребовало небольшой поверхности «SMURF», закрепленной на фюзеляже таким образом, чтобы она совпадала с корнем передней кромки стабилизатора под критическим углом. [5]
Использование компьютера для управления рулем высоты позволяет управлять аэродинамически нестабильными самолетами таким же образом.
Такие самолеты, как F-16, летают с искусственной устойчивостью. Преимуществом этого является значительное снижение сопротивления, вызванного хвостовым оперением, и улучшенная маневренность.
На околозвуковых скоростях самолет может испытывать смещение назад в центре давления из-за нарастания и движения ударных волн. Это вызывает момент тангажа носа вниз, называемый Маха tuck . Для поддержания равновесия может потребоваться значительная сила балансировки, и это чаще всего обеспечивается с помощью всего хвостового оперения в форме цельноповоротного хвостового оперения или стабилизатора.
Хвостовой стабилизатор обычно имеет некоторые средства, позволяющие пилоту контролировать величину подъемной силы, создаваемой хвостовым стабилизатором. Это, в свою очередь, вызывает момент тангажа на самолете, который используется для управления самолетом по тангажу.
Руль высоты : Обычный хвостовой стабилизатор обычно имеет шарнирную заднюю поверхность, называемую рулем высоты .
Стабилизатор или цельноповоротный хвост : в околозвуковом полете ударные волны, создаваемые передней частью хвостового оперения, делают любой руль высоты непригодным для использования. Цельноповоротный хвост был разработан британцами для Miles M.52 , но впервые увидел фактический околозвуковой полет на Bell X-1 ; Bell Aircraft Corporation включила в него устройство триммера руля высоты, которое могло изменять угол атаки всего хвостового оперения. Это спасло программу от дорогостоящей и трудоемкой перестройки самолета. [ необходима цитата ]
Трансзвуковые и сверхзвуковые самолеты теперь имеют цельноповоротные хвостовые крылья, чтобы противодействовать сжатию Маха и сохранять маневренность при полете быстрее критического числа Маха . Обычно называемая стабилизатором , эта конфигурация часто упоминается как «цельноповоротный» или «цельнолетающий» хвостовой крылья.
Ошибочно полагать, что хвостовые самолеты всегда несут загрузку хвостового оперения. Обычно так и есть, с опущенными закрылками и в переднем положении ЦТ, но с поднятыми закрылками в ЦТ сзади хвостовые нагрузки при большой подъемной силе часто положительны (вверх), хотя максимальная подъемная способность хвоста редко приближается..стр.19стр.20стр.21