Вертикальное оперение, горизонтальное оперение.
Оперение составляют несущие поверхности, предназначенные для обеспечения продольной и путевой устойчивости и управляемости самолета. Оно состоит обычно из горизонтального и вертикального оперений (рис. 3.1). Горизонтальное оперение (ГО) служит для продольной устойчивости и управляемости самолета, вертикальное оперение (ВО) - для путевой устойчивости и управляемости самолета.
Горизонтальное оперение состоит из стабилизатора и руля высоты (РВ). Стабилизатор является обычно неподвижной частью ГО, он совместно с РВ обеспечивает продольную устойчивость самолета в полете. Руль высоты - подвижная часть горизонтального оперения, предназначенная для управления самолетом относительно поперечной оси. Вертикальное оперение состоит из киля и руля направления (РН). Киль - неподвижная часть ВО - совместно с РН обеспечивает путевую и поперечную устойчивость самолета в полете. Руль направления является подвижной частью вертикального оперения, предназначенной для управления самолетом относительно вертикальной оси.
Схемы оперения различаются в основном в зависимости от взаимного расположения ГО и ВО и их расположения относительно фюзеляжа. В традиционной схеме ГО и ВО крепятся на хвостовой части фюзеляжа. Такая схема оперения наиболее выгодна в отношении массы и вибропрочности, но не всегда приемлема. Так, при верхнем расположении крыла или расположении двигателей на хвостовой части фюзеляжа применяют Т-образное оперение. В этой схеме ГО крепится на киле с целью выноса его из скошенного потока за крылом и струи газов двигателей. На некоторых самолетах с этой целью вместо Т-образного применяют V-образное оперение.
Рис.3.1. Оперение и элероны самолета:
1, 5 — элероны; 2 — триммер элеронов; 3, 4 — сервокомпенсаторы элеронов;
6, 12 —рули высоты; 7, 11 — триммеры руля высоты; 8 — руль направления;
9, 10 — триммер и пружинный сервокомпенсатор руля направления
Достаточно часто кили устанавливают на концах стабилизатора. Такое разнесенное ВО повышает эффективность и уменьшает индуктивное сопротивление ГО, поскольку кили выполняют в этом случае роль концевых шайб. Разнесенное ВО особенно выгодно для самолетов с турбовинтовыми двигателями, так как струи воздуха от воздушных винтов увеличивают эффективность ВО на малых скоростях полета. Кроме того, у разнесенного ВО центр давления ниже, чем у ВО обычной схемы, следовательно, меньше крутящий момент фюзеляжа. Недостатками Т-образного оперения и оперения с разнесенным ВО является необходимость усиления киля и стабилизатора, а следовательно, увеличения массы оперения, а также необходимость усложнения проводки управления рулями.
На самолетах типа "утка" ГО располагается впереди крыла. Такая схема ухудшает обзор из кабины экипажа, однако обеспечивает более высокие несущие свойства в сравнении с самолетами обычной схемы, поскольку уравновешивающая аэродинамическая сила на ГО направлена вверх, а не вниз.
Самолеты типа "бесхвостка" могут не иметь горизонтального оперения. В такой схеме продольная устойчивость обеспечивается применением
S-образного профиля и соответствующими очертаниями крыла в плане. Функции руля высоты выполняют элевоны, которые действуют в качестве элеронов и руля высоты. Отказ от ГО в схеме "бесхвостка" позволяет уменьшить лобовое сопротивление и массу самолета. Недостатком схемы является уменьшение несущих способностей крыла из-за необходимости применения S-образного профиля и элевонов, отклоняемых вверх в процессе продольной балансировки самолета.
Геометрические характеристики оперения - форма профиля, форма в плане, угол поперечного V - аналогичны характеристикам крыла. Кроме того, оперение характеризуется относительными площадями горизонтального и вертикального оперений, руля высоты и руля направления.
Оперение обычно имеет симметричные профили, что позволяет сохранить одинаковый характер аэродинамических нагрузок при отклонении рулей в разные стороны и обеспечить меньшее лобовое сопротивление. Для стабилизатора иногда применяется несимметричный профиль, установленный в перевернутом положении (обратной кривизны). Такой профиль создает при нулевом угле атаки ГО аэродинамическую силу, направленную вниз и уравновешивающую момент подъемной силы крыла при минимальном балансировочном сопротивлении самолета.
Профили оперения выбираются такими, чтобы срыв потока и скачки уплотнения возникали на оперение позже, чем на крыле. Этим достигается сохранение устойчивости и управляемости самолета на всех режимах полета. С этой же целью оперению придают стреловидность на 5 - 10° больше стреловидности крыла.
Относительные площади горизонтального и вертикального оперений SГО и SВО выражаются отношением площадей ГО и ВО к площади крыла:
SГО = SГO/S; SBO = SBO/S.
Относительная площадь руля высоты SB выражается отношением площади РВ SB площади ГО, а относительная площадь руля направления SH - отношением площади РН к площади ВО:
SВ =SВ/SГО; SН = SН /SВО
Нагрузки, действующие на оперение в полете, по характеру аналогичны нагрузкам, действующим на крыло. Массовые нагрузки от конструкции ГО и ВО невелики и в расчетах обычно не учитываются. Расчет на прочность и жесткость ведется на уравновешивающие и маневренные нагрузки, а также нагрузки при полете в неспокойном воздухе.
Уравновешивающая аэродинамическая сила на горизонтальном оперении YГО уравновешивает момент, создаваемый подъемной силой крыла Y относительно ЦМ самолета:
YГОLГО=Ya, где LГO - плечо горизонтального оперения, т. е. длина проекции на продольную ось самолета отрезка, соединяющего заданную точку на САХ крыла (обычно в диапазоне центровок самолета) с точкой, лежащей на 1/4 САХ горизонтального оперения.
Маневренные нагрузки возникают при резком отклонении руля и зависят от темпа его отклонения. При полете в неспокойном воздухе на ГО действуют нагрузки от порывов ветра. Эти нагрузки пропорциональны скорости потока при порыве и площади ГО.
На ВО уравновешивающая нагрузка возникает при скольжении самолета. Она достигает больших значений при отказе двигателя, находящегося на удалении от продольной оси самолета.
При отклонении рулей стабилизатор и киль дополнительно нагружаются сосредоточенными силами с рулей через узлы подвески. Направление этих сил зависит от направления отклонения рулей.
Нагрузки на оперение, как и на крыле, определяются для ряда расчетных случаев.
К рулевым поверхностям, кроме РВ и РН, относятся элероны - подвижные части крыла, отклоняемые одновременно в противоположные стороны (вверх и вниз), предназначенные для управления самолетом относительно его продольной оси.
Под устойчивостью понимают способность ВС самостоятельно, без участия пилота, сохранять заданное состояние движения и возвращаться к исходному режиму полета после непроизвольного отклонения, вызванного действием внешних возмущений.
Под управляемостью ВС понимают его способность изменять режим полета при отклонении рулевых поверхностей. Устойчивость и управляемость относятся к наиболее важным свойствам ВС, от них зависят безопасность полета, простота и точность пилотирования.
Посредством рулей и элеронов обеспечивается балансировка самолета, т. е. уравновешивание действующих на него сил и моментов. Достигается балансировка отклонением рулевых поверхностей на определенный, так называемый балансировочный угол.
В нормальных условиях полета пилот (автопилот) периодически балансирует самолет рулем высоты в связи с изменением центровки, вызванной выработкой топлива или перемещением пассажиров и грузов. В случае отказа двигателя, неравномерной выработки топлива из левой и правой половин крыла и в некоторых других случаях балансировка самолета достигается отклонением руля направления и элеронов.
Балансировочное положение рулевых поверхностей желательно иметь близким к их нейтральному положению. В противном случае существенно увеличивается лобовое сопротивление самолета. Так, балансировочные потери от отклонения руля высоты могут сократить дальность полета самолета более чем на 10%.
Таким образом, рули и элероны выполняют две функции: обеспечивают равновесие действующих на самолет сил и моментов при полете в установившемся режиме и служат для управления, т.е. преднамеренного нарушения этого равновесия с целью изменения режима и траектории полета.
На вертолетах функции оперения выполняют несущие и рулевые винты, но часто в качестве вспомогательных устройств применяется оперение самолетного типа.
Двухвинтовой вертолет соосной схемы снабжается килем и рулем направления, которые улучшают путевую устойчивость и управляемость вертолета; РН, кроме того, повышает путевую управляемость на режиме самовращения несущего винта.
На одновинтовых вертолетах роль киля выполняет концевая балка, сечениям которой придается форма несимметричного профиля. Такая килевая балка повышает путевую устойчивость вертолета и разгружает в горизонтальном полете рулевой винт. Руль направления на одновинтовых вертолетах не применяется, поскольку достаточная путевая управляемость достигается посредством рулевого винта.
Горизонтальное оперение состоит обычно из управляемого стабилизатора, предназначенного для повышения продольной устойчивости вертолета. Стабилизаторы могут предусматриваться на вертолетах различных схем. Управление стабилизатором осуществляется через систему управления несущим винтом. Некоторые вертолеты имеют неуправляемые стабилизаторы.
Конструкция оперения вертолетов аналогична конструкции оперения самолетов. Поскольку вертолеты имеют относительно небольшие скорости полета, обшивка оперения может быть полотняной.