Вертикальный стабилизатор

Вертикальный стабилизатор представляет собой неподвижную вертикальную поверхность хвостового оперения.

Вертикальный стабилизатор или хвостовой стабилизатор Статическая часть вертикального оперения самолета . Этот термин обычно применяется к совокупности как этой неподвижной поверхности, так и одного или нескольких шарнирно прикрепленных к ней подвижных рулей направления . Их роль заключается в обеспечении контроля, устойчивости и балансировки при рыскании (также известном как курсовая устойчивость или флюгерная устойчивость). Это часть хвостового оперения самолета , а именно его стабилизаторов .

Вертикальный хвост обычно устанавливается на верхней части задней части фюзеляжа, а горизонтальные стабилизаторы устанавливаются сбоку от фюзеляжа (конфигурация, называемая «обычным хвостовым оперением»). другие конфигурации, такие как Т-образное или двойное хвостовое оперение Вместо этого иногда используются .

Вертикальные стабилизаторы иногда использовались в автоспорте , например, в гонках прототипов Ле-Мана .

Функция

Принцип

Поверхности управления в хвостовой части обычного самолета

Вертикальное оперение самолета обычно состоит из неподвижного вертикального стабилизатора или киля, на котором установлен подвижный руль направления. Триммер аналогичным образом может быть установлен на руле направления. Вместе их роль состоит в том, чтобы обеспечить балансировку в направлении рыскания (компенсировать моменты в рыскании, возникающие из-за любой асимметрии тяги или сопротивления ), обеспечить управление самолетом по рысканью (например, инициировать боковое скольжение во время посадки с боковым ветром ), а также а также обеспечить устойчивость по рысканью (флюгер или курсовую устойчивость).

Чем дальше он расположен от центра тяжести, тем эффективнее может быть вертикальное оперение. Таким образом, более короткие самолеты обычно имеют большее вертикальное оперение; например, вертикальное оперение короткого Airbus A318 больше, чем у его более длинных собратьев из семейства A320 .

Эффективность вертикального оперения зависит от его эффективности и коэффициента объема вертикального оперения. (также называемое объемным соотношением ), что приводит к обезразмериванию его площади и плеча с размерами основного крыла:

$V_{\text{v}}={\frac {S_{\text{v}}L_{\text{tail-CG}}}{S_{\text{w}}L_{\text{w}}}}$

(где индексы $V$ и $W$ обозначают вертикальное оперение и крыло соответственно, $S$ означает площадь, а $L_{\text{w}}$ обычно это средняя аэродинамическая хорда ). Значения коэффициента вертикального оперения незначительно различаются в зависимости от типа самолета, причем экстремальные значения варьируются от 0,02 (планер) до 0,09 (транспортный реактивный самолет).

Эффективность хвоста представляет собой отношение динамического давления в хвосте к давлению в набегающем потоке. Хвост имеет максимальную мощность при погружении в набегающий поток с КПД, равным единице. При частичном погружении в след его эффективность снижается, поскольку след имеет более низкое динамическое давление, чем набегающий поток. Возможно, потребуется увеличить высоту плавника, чтобы восстановить его требуемую эффективность в определенных условиях полета. Panavia Tornado имел высокий киль для обеспечения курсовой устойчивости при больших углах падения.

Триммирование и контроль при движении по рысканью

Руль направления представляет собой поверхность управления направлением и обычно шарнирно крепится к килю или вертикальному стабилизатору. Перемещение его позволяет пилоту контролировать рыскание относительно вертикальной оси, т. е. изменять горизонтальное направление, в котором направлен нос.

Максимальное отклонение руля направления обычно контролируется ограничителем хода руля направления . Наибольший достижимый угол поворота руля направления в определенных условиях полета называется пределом продувки . Он представляет собой баланс между аэродинамическими силами, действующими на руль направления, и механическими силами исполнительного механизма.

Многомоторные самолеты, особенно с крыльевыми двигателями, имеют большие мощные рули направления. Они обязаны обеспечивать достаточную управляемость после отказа двигателя при взлете при максимальном весе и ограничении бокового ветра. и возможность бокового ветра при нормальном взлете и посадке.

При рулении и начале взлета управление самолетом осуществляется за счет сочетания руля направления, а также поворота носового или хвостового колеса. На малых скоростях наибольшее влияние на управление имеет носовое или хвостовое колесо, но по мере увеличения скорости аэродинамическое воздействие руля направления увеличивается, тем самым делая руль направления все более важным для управления рысканьем. В некоторых самолетах (в основном небольших самолетах) оба этих механизма управляются педалями руля направления, поэтому для пилота нет никакой разницы. На других самолетах имеется специальный румпель, управляющий поворотом штурвала, и педали, управляющие рулем направления, а также ограниченный угол поворота штурвала (обычно 5 градусов поворота носового колеса). На этих самолетах пилоты прекращают использовать румпель после выравнивания с взлетно-посадочной полосой перед взлетом и начинают использовать его после приземления перед выездом с взлетно-посадочной полосы, чтобы предотвратить чрезмерную коррекцию с помощью чувствительного румпеля на высоких скоростях. Педали также можно использовать для небольших корректировок при рулении по прямой, входе в поворот или выходе из него перед включением румпеля, чтобы поворот оставался плавным.

Когда органы управления находятся в нейтральном положении, самолет все равно может слегка отклоняться в сторону. Это исправляется путем установки триммера, часто отдельного триммера, установленного на руле направления, но иногда и самого руля направления, чтобы противодействовать рысканию и обеспечивать полет самолета по прямой.

Изменение настройки триммера регулирует нейтральное или исходное положение поверхности управления (например, руля высоты или руля направления). По мере изменения желаемого положения поверхности управления (в основном в зависимости от различных скоростей) регулируемый триммер позволит оператору уменьшить ручное усилие, необходимое для поддержания этого положения, — до нуля, если оно используется правильно. Таким образом, триммер действует как сервопривод . Поскольку центр давления триммера находится дальше от оси вращения поверхности управления, чем центр давления поверхности управления, движение, генерируемое язычком, может соответствовать движению, генерируемому поверхностью управления. Положение руля на своей оси будет меняться до тех пор, пока крутящий момент от руля и триммерной поверхности не уравновесят друг друга.

• 
  Движение, вызванное использованием руля направления
• 
  Руль направления управляется с помощью педалей в нижней задней части штурвала на этой фотографии кабины Боинга 727.
• 
  Руль направления и триммер легкого самолета
• 
  Водяные рули Cessna 208 Caravan гидросамолета представляют собой небольшие вертикальные поверхности на задней части каждого поплавка. Их настройка контролируется из кабины.

устойчивость по рысканию

Вертикальное оперение играет определяющую роль в устойчивости по рысканью, обеспечивая большую часть необходимого восстанавливающего момента относительно центра тяжести при буксовании самолета. Устойчивость к рысканью обычно определяется количественно с использованием производной коэффициента момента по углу отклонения от курса.

На поток воздуха над вертикальным оперением часто влияют фюзеляж, крылья и двигатели самолета как по величине, так и по направлению. Основное крыло и горизонтальный стабилизатор, если они имеют большую стреловидность , могут существенно способствовать устойчивости по рысканью; крылья, сдвинутые назад, имеют тенденцию увеличивать устойчивость по рысканью. Однако стреловидность крыла и горизонтального оперения обычного самолета не влияет на балансировку самолета по рысканью.

Двугранность основного крыла и горизонтальное оперение также могут оказывать небольшое влияние на статическую устойчивость по рысканию. Этот эффект сложен и связан с эффектом стреловидности крыла и обтекания фюзеляжа.

Пропеллеры , особенно когда они продвигаются так, что их ось составляет угол со скоростью набегающего потока , могут влиять на статическую устойчивость самолета при рыскании.

Соединение с рулоном

Вертикальное оперение влияет на поведение самолета при крене , поскольку его аэродинамический центр обычно находится намного выше центра тяжести самолета. Когда самолет скользит вправо, относительный ветер и боковая сила на вертикальном хвосте преобразуются в момент крена против часовой стрелки.

Сверхзвуковой полет

Двойные брюшные плавники на F-16

В сверхзвуковом полете вертикальное оперение становится все менее эффективным с увеличением числа Маха, пока потеря устойчивости не станет неприемлемой. Устойчивость снижается, поскольку подъемная сила, или боковая сила, создаваемая хвостом, уменьшается со скоростью для каждого градуса угла бокового скольжения (наклон кривой подъемной силы). Это является результатом совсем другого распределения давления с ударными волнами и волнами расширения по сравнению с дозвуковым. Для достижения необходимой устойчивости на максимальной эксплуатационной скорости самолета вертикальное оперение может быть увеличено, как, например, на North American F-100 Super Sabre (начальная требуемая площадь киля была занижена). Дополнительную площадь можно увеличить за счет установки подфюзеляжных килей (например, на более скоростных более поздних версиях Vought F-8 Crusader ) или складывающихся законцовок крыла (например, на North American XB-70 Valkyrie ). Если больший хвост неприемлем, можно использовать автоматическое отклонение руля направления для увеличения боковой силы хвоста и восстановления курсовой устойчивости. Этот метод использовался на Avro Arrow .

Срыв вертикального оперения

У основания вертикального оперения Боинга 737-300 виден спинной плавник.

Вертикальное оперение иногда имеет галтель или спинной плавник в переднем основании, что помогает увеличить угол сваливания вертикальной поверхности (что приводит к вихревой подъемной силе) и таким образом предотвратить явление, называемое блокировкой руля направления или реверсом руля направления. Блокировка руля направления происходит, когда сила, действующая на отклоненный руль направления (например, при устойчивом боковом скольжении ), внезапно меняет направление, когда вертикальное оперение останавливается. Это может привести к тому, что руль направления застрянет при полном отклонении, и пилот не сможет его отцентрировать. Спинной плавник был введен в 1940-х годах, например, на Douglas DC-4 1942 года , раньше, чем обтекатели крыльев истребителей, разработанных в 1970-х годах, таких как F-16 .

Структурные соображения

На руль направления и киль большого или быстрого самолета действует значительная сила, которая увеличивается с отклонением руля направления. Крайний случай возникает при отклонении от управляемого полета, известном как смещение, которое в контексте киля и руля направления представляет собой чрезмерное боковое скольжение. У больших транспортных самолетов стабилизирующий момент, необходимый для восстановления, исходит от киля, при этом отклонение руля направления практически не требуется. Этим самолетам не требуется выдерживать почти полное отклонение руля направления в таких обстоятельствах. потому что структурный вес, необходимый для предотвращения разрушения конструкции, сделает их коммерчески нежизнеспособными. Полная потеря киля и руля направления произошла на рейсе 587 American Airlines , когда пилот использовал полное отклонение руля направления, следуя за очень большим самолетом.

Турбулентность ясного воздуха привела к выходу из строя всего узла киля и руля направления на Boeing B-52 Stratofortress, после чего пилоты совершили успешную посадку. Бомбардировщики B-52, оснащенные приборами для учета порывов и маневренных нагрузок, зарегистрировали порывы от турбулентности ясного воздуха, значительно превышающие расчетный предел, с максимальными нагрузками на высоте 34 000 футов.

Выход из строя киля прототипа English Electric Lightning T4 был вызван инерционным сцеплением кренов при выполнении кренов с высокой скоростью. Киль был увеличен, усилен и введены ограничения по скорости крена. Однако у первого Т5 также произошел отказ киля во время испытаний на быструю перекачку с выдвинутым ракетным ранцем.

Lightning потерял плавник из-за взаимодействия между самолетами, находившимися в непосредственной близости на малой высоте, при полете строем на высоте M 0,97, что представляло собой демонстрацию пилотажа. Были наложены ограничения, включая разделение самолетов в строю.

Биение киля является критической проблемой для истребителей с двумя или одинарными килями, поскольку усталостный срок службы конструкции киля снижается из-за колебаний нагрузок, вызванных взрывными вихрями, воздействующими на киле. Единственный плавник Eurofighter Typhoon испытывает ударные нагрузки, вызванные взрывными вихрями, исходящими от утки и передней кромки крыла на больших углах атаки. Боковые части верхнего воздушного тормоза при отклонении также создают вихри, которые после взрыва ударяются о плавник. Удар от выдвинутого воздушного тормоза является наибольшим, когда эффективный угол атаки воздушного тормоза наибольший, который для полностью выдвинутого воздушного тормоза является наибольшим при малых углах атаки самолета и наименьшим при маневрировании. Двойные кили McDonnell Douglas F/A-18 Hornet подвержены ударам из-за поломки или разрыва вихря на передней кромке (LEX) перед хвостовым оперением. Добавление ограждения LEX значительно уменьшает удары и увеличивает усталостный срок службы ребер.

• 
  B-52H (серийный номер AF 61-0023), оснащенный приборами для измерения порывистых нагрузок для исследования структурных отказов, все еще находился в полете после того, как его вертикальный стабилизатор был потерян в результате сильной турбулентности 10 января 1964 года. Самолет благополучно приземлился.
• 
  F / A-18C демонстрирует ограждение LEX, уменьшающее удары киля.
• 
  Тайфун демонстрирует расширенный воздушный тормоз, что приводит к значительному тряске плавников.

Конфигурации

Цельноповоротный хвостовой плавник

Самолетом с цельноповоротным оперением, но не поступившим на вооружение, стал North American F-107. и БАК ТСР-2 .

На Lockheed SR-71 Blackbird и North American X-15 использовались фиксированные заглушки для килей и рулей направления на оставшуюся высоту. Обычные рули направления были бы неподходящими для SR-71, поскольку в случае отказа двигателя потребовались бы чрезмерные отклонения, что привело бы к неприемлемому дифферентному сопротивлению. Ранние конфигурации, предложенные для X-15, имеют обычный фиксированный киль и продольный руль направления, а также подфюзеляжный киль. Он был заменен на спинной и брюшной плавники, внешняя половина каждого из которых выполняла функцию руля направления.

• 
  North American X-15 демонстрирует полнокордовые рули направления на фиксированных спинном и подфюзеляжном стабилизаторах.
• 
  Североамериканский A-5 Vigilante использовал цельноповоротное вертикальное оперение.

Несколько хвостовых плавников

Основные статьи: двойной хвост и V-образный хвост.

Самолет с двойным хвостовым оперением имеет два вертикальных стабилизатора. Многие современные боевые самолеты используют эту конфигурацию. Сдвоенные рули направления могут использоваться в конфигурации с пониженным шасси для дополнительного продольного управления с схождением или развалом ( McDonnell Douglas F / A-18 Hornet ). Двойные рули направления также используются в качестве воздушного тормоза, как в случае с Lockheed Martin F-22 Raptor , который использует дифференциальный руль направления вместе с другими отклонениями руля направления для управления скоростью, поскольку у него нет специального воздушного тормоза.

Двойное хвостовое оперение может быть либо H-образным, с двойным килем/рулем направления, прикрепленным к одному фюзеляжу, как у North American B-25 Mitchell среднего бомбардировщика или Avro Lancaster , либо двухбалочным, где задняя часть планера состоит из двух отдельных конструкций стрелы каждая. с одним килем и рулем направления, соединенным горизонтальным стабилизатором, например, у North American Rockwell OV-10 Bronco или Armstrong Whitworth AW.660 Argosy .

Разновидность сдвоенного оперения, тройное оперение имеет три вертикальных стабилизатора. эпохи Второй мировой войны Avro Manchester получил третий плавник, когда исходного двойного плавника оказалось недостаточно. В Lockheed Constellation использовались три киля, чтобы придать самолету необходимую площадь вертикального стабилизатора, в то же время сохраняя общую высоту достаточно низкой, чтобы он мог поместиться в ангарах для обслуживания.

V -образное оперение не имеет отдельных вертикальных или горизонтальных стабилизаторов. Скорее, они объединены в поверхности управления, известные как рули направления , которые контролируют как тангаж, так и рыскание. Композиция выглядит как буква V и также известна как «хвост бабочки». Эту конфигурацию использует Beechcraft Bonanza Model 35 , как и Lockheed F-117 Nighthawk .

Винглеты на толкающей утке конфигурации Rutan VariEze и Rutan Long-EZ , выполняющие функции одновременно законцовки крыла и вертикального стабилизатора. Этот элемент конструкции используется в нескольких других модификациях этих и других подобных самолетов.

• 
  Lockheed Constellation с тройным хвостом
• 
  ВВС Бельгии. V-образное хвостовое оперение самолета Fouga CM.170 Magister
• 
  V-образное хвостовое оперение YF-23
• 
  Caproni Ca.3 имел как двухбалочное, так и тройное хвостовое оперение.
• 
  Рутан Лонг-ЭЗ
• 
  Боинг 707-420 с дополнительным подфюзеляжным хвостовым килем
• 
  Двуххвостовая компоновка Grumman F-14 Tomcat

Поворотный хвост

использована необычная крестообразная конструкция На Lockheed Jetstar . Для продольного дифферента все хвостовое оперение поворачивается вверх и вниз на 10 градусов вокруг точки крепления в нижней части заднего лонжерона киля.

• 
  Сборка двигателя Lockheed Jetstar . Свидетельства его поворотного киля можно увидеть на диагональной линии под горизонтальным стабилизатором.

Складывание для хранения

Верхняя часть вертикального киля на North American A-5 Vigilante складывается в сторону из-за ограничения высоты палубы ангара.

• 
  Североамериканские линчеватели А-5 , один со сложенным килем.

Использование в автомобилестроении

Устройства, похожие на вертикальное оперение, использовались на таких автомобилях, как Jaguar D-type 1955 года или Lamborghini Veneno 2013 года . На гоночных автомобилях его основная цель - уменьшить внезапные опрокидывания, вызванные рысканием на высокой скорости, которые могут привести к перевороту автомобиля из-за подъемной силы при экстремальных углах отклонения от курса во время поворота или при вращении. С 2011 года вертикальный стабилизатор стал обязательным для всех недавно одобренных прототипов Ле-Мана .

Некоторые команды Формулы 1 использовали вертикальный стабилизатор как способ нарушить поток воздуха к заднему крылу, уменьшая сопротивление. Наиболее радикальной системой является «F-образный воздуховод», установленный в McLaren MP4-25 2010 года и Ferrari F10 . По требованию водителя эта система перенаправляла воздух из воздуховода в передней части автомобиля через туннель в вертикальном киле на заднее крыло, чтобы остановить его и уменьшить сопротивление на прямых, где прижимная сила не нужна. Система была запрещена в сезоне Формулы-1 2011 года .

• 
  Ferrari F10 с вертикальным ребром между воздухозаборником и крылом

См. также

• Рейс 123 Japan Airlines , разбившийся из-за почти полной потери вертикального стабилизатора.
• Рейс 587 American Airlines , у которого оторвался вертикальный стабилизатор после интенсивного использования во время турбулентности в следе.
• Проблемы с рулем направления Boeing 737. Серия аварий и инцидентов, связанных с заклиниванием руля направления Boeing 737 , приводящим к неконтролируемому крену самолета.