Поверхности управления полетом самолета — это аэродинамические устройства, позволяющие пилоту регулировать и контролировать положение самолета в полете .
Разработка эффективного набора поверхностей управления полетом стала решающим шагом в развитии самолетов. Ранние попытки проектирования самолетов с фиксированным крылом увенчались успехом в создании достаточной подъемной силы, чтобы оторвать самолет от земли, но, оказавшись в воздухе, самолет оказался неуправляемым, что часто приводило к катастрофическим результатам. Разработка эффективных средств управления полетом — это то, что позволило обеспечить стабильный полет.
В этой статье описываются поверхности управления, используемые на самолете с фиксированным крылом обычной конструкции. Другие конфигурации самолетов с фиксированным крылом могут использовать другие поверхности управления, но основные принципы остаются. Органы управления (ручка и руль направления ) для винтокрылых самолетов ( вертолетов или автожиров ) выполняют те же движения вокруг трех осей вращения , но манипулируют вращающимися органами управления полетом ( дисками основного и хвостового роторов ) совершенно по-другому.
Поверхности управления полетом приводятся в действие системами управления полетом самолета .
Рассматриваемые как обобщенная жидкостная поверхность управления , рули, в частности, используются совместно самолетами и судами .
Братьям Райт приписывают разработку первых практических поверхностей управления. Это основная часть их патента на полеты. [1] В отличие от современных поверхностей управления, они использовали деформацию крыла . [2] В попытке обойти патент Райта , Гленн Кертисс создал шарнирные поверхности управления, тот же тип концепции, впервые запатентованный примерно на четыре десятилетия раньше в Соединенном Королевстве . Шарнирные поверхности управления имеют то преимущество, что не вызывают напряжений, которые являются проблемой деформации крыла, и их легче встраивать в конструкции.
Самолет может свободно 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 каждой из них.
Поперечная ось , также известная как боковая ось , [3] проходит через самолет от одного конца крыла до другого. Вращение вокруг этой оси называется тангажем . Тангаж изменяет вертикальное направление, в которое направлен нос самолета. Рули высоты являются основными управляющими поверхностями для тангажа.
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 изменяет угол крена, увеличивая подъемную силу на одном крыле и уменьшая ее на другом. Эта дифференциальная подъемная сила вызывает вращение вокруг продольной оси. Элероны являются основным средством управления креном. Руль направления также оказывает вторичное влияние на крен.
Вертикальная ось проходит через самолет сверху вниз. Вращение вокруг этой оси называется рысканием . [3] Рыскание изменяет направление, в котором направлен нос самолета, влево или вправо. Основное управление рысканием осуществляется рулем направления. Элероны также оказывают вторичное влияние на рыскание.
Эти оси движутся вместе с самолетом и изменяются относительно земли по мере его движения. Например, для самолета, левое крыло которого направлено прямо вниз, его «вертикальная» ось параллельна земле, а «поперечная» ось перпендикулярна земле.
Основные поверхности управления самолета с фиксированным крылом прикреплены к планеру на шарнирах или направляющих, так что они могут двигаться и, таким образом, отклонять проходящий над ними воздушный поток. Такое перенаправление воздушного потока создает неуравновешенную силу, вращающую самолет вокруг соответствующей оси.
.png/1280px-Alieron_A-44_(PSF).png)
Элероны установлены на задней кромке каждого крыла около законцовок крыла и движутся в противоположных направлениях. Когда пилот перемещает управление элеронами влево или поворачивает штурвал против часовой стрелки, левый элерон поднимается, а правый опускается. Поднятый элерон уменьшает подъемную силу на этом крыле, а опущенный увеличивает подъемную силу, поэтому перемещение управления элеронами таким образом заставляет левое крыло опускаться, а правое крыло подниматься. Это заставляет самолет крениться влево и начинать поворачивать влево. Центрирование управления возвращает элероны в нейтральное положение, сохраняя угол крена . Самолет будет продолжать поворачивать до тех пор, пока противоположное движение элеронов не вернет угол крена к нулю, чтобы лететь прямо.
Руль высоты — подвижная часть горизонтального стабилизатора , шарнирно прикрепленная к задней части неподвижной части горизонтального хвоста. Рули высоты движутся вверх и вниз вместе. Когда пилот тянет ручку назад, рули высоты поднимаются. Нажатие ручки вперед заставляет рули высоты опускаться. Поднятые рули высоты давят вниз на хвост и заставляют нос подниматься. Это заставляет крылья лететь под большим углом атаки , что создает большую подъемную силу и большее сопротивление . Центрирование ручки возвращает рули высоты в нейтральное положение и останавливает изменение тангажа. Некоторые самолеты, такие как MD-80 , используют сервопривод в поверхности руля высоты для аэродинамического перемещения основной поверхности в нужное положение. Таким образом, направление движения руля управления будет противоположно направлению основной поверхности управления. Именно по этой причине хвост MD-80 выглядит так, как будто у него «разделенная» система руля высоты.
В схеме «утка» рули высоты шарнирно закреплены на задней части носовой части самолета и движутся в противоположном направлении, например, когда пилот тянет ручку управления назад, рули высоты опускаются, увеличивая подъемную силу в передней части самолета и поднимая нос вверх.
Руль направления обычно устанавливается на задней кромке вертикального стабилизатора , части хвостового оперения . Когда пилот нажимает левую педаль, руль направления отклоняется влево. Нажатие правой педали заставляет руль направления отклоняться вправо. Отклонение руля направления вправо толкает хвост влево и заставляет нос рыскать вправо. Центрирование педалей руля направления возвращает руль направления в нейтральное положение и останавливает рыскание.
Элероны в первую очередь вызывают крен. Всякий раз, когда подъемная сила увеличивается, индуцированное сопротивление также увеличивается, поэтому, когда управление элероном перемещается для наклона самолета 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 рыскает в направлении, противоположном применению элеронов. При перемещении управления элероном для наклона крыльев влево, неблагоприятное рыскание перемещает нос самолета вправо . Неблагоприятное рыскание наиболее выражено в низкоскоростных самолетах с длинными крыльями, таких как планеры. Пилот противодействует ему с помощью педалей руля направления. Дифференциальные элероны — это элероны, которые были установлены таким образом, что опускающийся элерон отклоняется меньше, чем поднимающийся, вызывая меньшее неблагоприятное рыскание.
Руль направления — это фундаментальная поверхность управления, которая обычно управляется педалями, а не ручкой. Это основное средство управления рысканием — вращением самолета вокруг вертикальной оси. Руль направления может также использоваться для противодействия неблагоприятному рысканию, создаваемому поверхностями управления креном.
Если руль направления применяется непрерывно в горизонтальном полете, самолет будет рыскать изначально в направлении примененного руля направления — основной эффект руля направления. Через несколько секунд самолет будет стремиться к крену в направлении рыскания. Это возникает первоначально 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 из-за создания меньшей подъемной силы. Продолжительное применение руля направления поддерживает тенденцию к крену, поскольку самолет летит под углом к воздушному потоку — скользя в сторону переднего крыла. При применении правого руля направления в самолете с двугранным углом левое крыло будет иметь увеличенный угол атаки, а правое крыло — уменьшенный угол атаки, что приведет к крену вправо. Самолет с ксеноморфным углом покажет противоположный эффект. Этот эффект руля направления обычно используется в авиамоделях, где при наличии в конструкции крыла достаточного количества двугранных или многогранных поверхностей основные элементы управления креном, такие как элероны, можно вообще исключить.
В отличие от поворота лодки, изменение направления самолета обычно должно осуществляться 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, которая перпендикулярна крыльям, в направлении предполагаемого поворота, наклоняя самолет в поворот. По мере увеличения угла крена подъемную силу можно разделить на две составляющие: одну, действующую вертикально, и одну, действующую горизонтально.
Если общая подъемная сила остается постоянной, вертикальная составляющая подъемной силы уменьшится. Поскольку вес самолета неизменен, это приведет к снижению самолета, если этому не противодействовать. Для поддержания горизонтального полета требуется увеличенный положительный (вверх) руль 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 нагрузки, необходимый для поддержания горизонтального полета, напрямую связан с углом крена . Это означает, что при заданной скорости полета горизонтальный полет может поддерживаться только до определенного заданного угла крена. За пределами этого угла крена самолет будет испытывать ускоренное сваливание , если пилот попытается создать достаточную подъемную силу для поддержания горизонтального полета.
Некоторые конфигурации самолетов имеют нестандартные основные элементы управления. Например, вместо рулей высоты в задней части стабилизаторов, весь хвостовой стабилизатор может менять угол . Некоторые самолеты имеют хвост в форме буквы V , а подвижные части в задней части совмещают функции рулей высоты и руля направления. Самолеты с дельта-крылом могут иметь « элевоны » в задней части крыла, которые совмещают функции рулей высоты и элеронов.
На самолетах с низким сопротивлением, таких как планеры , интерцепторы используются для прерывания воздушного потока над крылом и значительного снижения подъемной силы. Это позволяет пилоту планера терять высоту, не набирая избыточную скорость полета. Иногда интерцепторы называют «сбрасывателями подъемной силы». Инцепторы, которые можно использовать асимметрично, называются интерцепторами и могут влиять на крен самолета.
Закрылки установлены на задней кромке на внутренней секции каждого крыла (возле корней крыла). Они отклоняются вниз, чтобы увеличить эффективную кривизну крыла. Закрылки повышают максимальный коэффициент подъемной силы самолета и, следовательно, уменьшают его скорость сваливания. [5] Они используются во время полета на низкой скорости с большим углом атаки, включая взлет и снижение для посадки. Некоторые самолеты оснащены « флаперонами », которые чаще называют «внутренними элеронами» [ необходима цитата ] . Эти устройства функционируют в основном как элероны, но на некоторых самолетах будут «опускаться», когда закрылки развернуты, таким образом, действуя как закрылок, так и внутренний элерон управления креном.
Предкрылки , также известные как устройства передней кромки , являются расширениями передней части крыла для увеличения подъемной силы и предназначены для снижения скорости сваливания путем изменения воздушного потока над крылом. Предкрылки могут быть фиксированными или убирающимися - фиксированные предкрылки (например, как на Fieseler Fi 156 Storch ) обеспечивают превосходные возможности малой скорости и STOL , но ставят под угрозу более высокие скоростные характеристики. Убирающиеся предкрылки, которые можно увидеть на большинстве авиалайнеров, обеспечивают снижение скорости сваливания при взлете и посадке, но убираются для крейсерского полета.
Воздушные тормоза используются для увеличения сопротивления. Интерцепторы могут действовать как воздушные тормоза, но не являются чистыми воздушными тормозами, поскольку они также выполняют функцию подъемно-опускных устройств 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 для увеличения сопротивления формы. Поскольку они в большинстве случаев расположены в другом месте на самолете, они не оказывают прямого влияния на подъемную силу, создаваемую крылом. Их цель — замедлить самолет. Они особенно полезны, когда требуется высокая скорость снижения. Они распространены как на высокопроизводительных военных самолетах, так и на гражданских самолетах, особенно на тех, у которых отсутствует возможность реверса тяги.
Управление триммером позволяет пилоту уравновешивать подъемную силу и сопротивление, создаваемые крыльями и управляющими поверхностями в широком диапазоне нагрузок и скоростей полета. Это снижает усилия, необходимые для регулировки или поддержания желаемого положения в полете .
Триммер руля высоты уравновешивает силу управления, необходимую для поддержания правильной аэродинамической силы на хвосте для балансировки самолета. При выполнении определенных летных упражнений может потребоваться большой триммер для поддержания желаемого угла атаки. Это в основном относится к медленному полету , где требуется положение носа вверх, что в свою очередь требует большого триммера, заставляя хвостовое оперение оказывать сильную прижимную силу. Триммер руля высоты коррелирует со скоростью воздушного потока над хвостом, поэтому изменения скорости полета самолета требуют повторного триммирования. Важным конструктивным параметром для самолета является устойчивость самолета при триммировании для горизонтального полета. Любые помехи, такие как порывы или турбулентность, будут затухать в течение короткого периода времени, и самолет вернется к своей сбалансированной скорости горизонтального полета.
За исключением очень легких самолетов, триммеры на рулях высоты не могут обеспечить желаемую силу и диапазон движения. Для обеспечения соответствующей силы балансировки вся горизонтальная плоскость хвоста сделана регулируемой по тангажу. Это позволяет пилоту выбирать точное количество положительной или отрицательной подъемной силы от плоскости хвоста, одновременно уменьшая сопротивление от рулей высоты.
Управляющий рог — это часть управляющей поверхности, которая выступает вперед от точки поворота. Он создает силу, которая имеет тенденцию увеличивать отклонение поверхности, тем самым уменьшая давление управления, испытываемое пилотом. Управляющие роги также могут включать противовес , который помогает сбалансировать управление и предотвратить его колебание в воздушном потоке. Некоторые конструкции имеют отдельные грузы для предотвращения колебания.
(В радиоуправляемых моделях самолетов термин «контрольный гудок» имеет другое значение) [6] [7]
В простейшем случае триммирование осуществляется механической пружиной (или банджи ), которая добавляет соответствующую силу для усиления управляющего воздействия пилота. Пружина обычно соединена с рычагом триммера руля высоты, чтобы пилот мог устанавливать прикладываемое усилие пружины.
Большинство самолетов с фиксированным крылом имеют поверхность управления триммером на руле высоты , но более крупные самолеты также имеют управление триммером для руля направления и еще одно для элеронов. Триммер руля направления предназначен для противодействия любой асимметричной тяге от двигателей. Триммер элеронов предназначен для противодействия эффекту смещения центра тяжести от осевой линии самолета. Это может быть вызвано тем, что топливо или часть полезной нагрузки загружены больше на одну сторону самолета по сравнению с другой, например, когда в одном топливном баке больше топлива, чем в другом.
