Стабилизатор (аэронавтика)
Стабилизатор самолета представляет собой аэродинамическую поверхность, обычно включающую одну или несколько подвижных поверхностей управления . [1] [2] обеспечивающий продольную (тангаж) и/или курсовую (рыскание) устойчивость и управляемость. Стабилизатор может иметь фиксированную или регулируемую конструкцию, на которой шарнирно закреплены любые подвижные поверхности управления, или он сам может быть полностью подвижной поверхностью, например стабилизатором . В зависимости от контекста термин «стабилизатор» иногда может обозначать только переднюю часть общей поверхности.
В обычной конфигурации самолета отдельные вертикальный (киль) и горизонтальный ( килевидное оперение ) стабилизаторы образуют оперение , расположенное в хвостовой части самолета. Другие конструкции хвостового оперения, такие как V- образное хвостовое оперение, оснащены стабилизаторами, которые способствуют сочетанию продольной и путевой стабилизации и управления.
Продольная устойчивость и управляемость могут быть достигнуты с помощью других конфигураций крыла, включая «утку» , тандемное крыло и бесхвостый самолет .
Некоторые типы самолетов стабилизируются с помощью электронного управления полетом ; в этом случае неподвижные и подвижные поверхности, расположенные в любом месте самолета, могут служить активными демпферами или стабилизаторами движения.
Горизонтальные стабилизаторы
[ редактировать ]
Горизонтальный стабилизатор используется для поддержания самолета в продольном балансе или балансировке : [3] он оказывает вертикальную силу на расстоянии, поэтому сумма моментов тангажа относительно центра тяжести равна нулю. [4] Вертикальная сила, создаваемая стабилизатором, меняется в зависимости от условий полета, в частности, в зависимости от коэффициента подъемной силы самолета и отклонения закрылков , которые влияют как на положение центра давления , так и от положения центра тяжести самолета (которое меняется в зависимости от самолета). нагрузка и расход топлива). Трансзвуковой полет предъявляет особые требования к горизонтальным стабилизаторам; Когда местная скорость воздуха над крылом достигает скорости звука, происходит внезапное перемещение центра давления назад .
Другая роль горизонтального стабилизатора заключается в обеспечении продольной статической устойчивости . Устойчивость можно определить только тогда, когда автомобиль находится в балансе; [5] это относится к тенденции самолета вернуться в балансированное состояние, если его потревожить. [6] Это поддерживает постоянное положение самолета с неизменным углом тангажа относительно воздушного потока без активного участия пилота. Обеспечение статической устойчивости самолета с обычным крылом требует, чтобы центр тяжести самолета находился впереди центра давления, поэтому стабилизатор, расположенный в задней части самолета, будет создавать подъемную силу в направлении вниз.
Руль высоты служит для управления осью тангажа; в случае полностью подвижного хвостового оперения весь узел действует как поверхность управления.
Взаимодействие крыла со стабилизатором
[ редактировать ]Восходящий и нисходящий потоки, связанные с созданием подъемной силы, являются источником аэродинамического взаимодействия между крылом и стабилизатором, что приводит к изменению эффективного угла атаки для каждой поверхности. Влияние крыла на хвост гораздо значительнее, чем противоположный эффект, и его можно смоделировать с помощью теории подъемной линии Прандтля ; однако точная оценка взаимодействия между несколькими поверхностями требует компьютерного моделирования или испытаний в аэродинамической трубе . [7]
Конфигурации горизонтального стабилизатора
[ редактировать ]Обычное хвостовое оперение
[ редактировать ]
В обычной конфигурации горизонтальный стабилизатор представляет собой небольшое горизонтальное оперение или хвостовое оперение, расположенное в задней части самолета. Это наиболее распространенная конфигурация.
На многих самолетах хвостовое оперение состоит из неподвижной поверхности, оснащенной шарнирной задней поверхностью руля высоты . Триммеры могут использоваться для уменьшения усилий пилота. Альтернативно, некоторые легкие самолеты, такие как Piper PA-24 Comanche и Piper PA-28 Cherokee, имеют цельноповоротный стабилизатор, известный как стабилизатор , без отдельного руля высоты. Стабилизаторы также встречаются во многих сверхзвуковых самолетах, где отдельное управление рулем высоты могло бы вызвать неприемлемое сопротивление. [8]
Большинство авиалайнеров и транспортных самолетов имеют большое, медленно движущееся регулируемое хвостовое оперение , совмещенное с независимо движущимися рулями высоты. Рули высоты управляются пилотом или автопилотом и в первую очередь служат для изменения положения самолета, а весь узел используется для балансировки (поддержания горизонтального статического равновесия) и стабилизации самолета по оси тангажа. В Боинге 737 регулируемая система триммирования стабилизатора приводится в действие домкратом с электрическим приводом . [9]
Варианты традиционной конфигурации включают Т-образное хвостовое оперение , крестообразное хвостовое оперение , двойное хвостовое оперение и хвостовое оперение с двойной стрелой .
Трехповерхностный самолет
[ редактировать ]
В самолетах с тремя поверхностями, таких как Piaggio P.180 Avanti или Scaled Composites Triumph и Catbird , хвостовое оперение представляет собой стабилизатор, как и в обычных самолетах; Передняя плоскость, называемая носовой частью или уткой, обеспечивает подъемную силу и служит балансировочной поверхностью.
Некоторые более ранние самолеты с тремя поверхностями, такие как Curtiss AEA June Bug или биплан Voisin 1907 , имели обычную компоновку с дополнительной передней поверхностью управления по тангажу, которую называли «руль высоты» или иногда «стабилизатором». [10] Не имея рулей высоты, хвостовое оперение этих самолетов не имело того, что сейчас называют обычными стабилизаторами. Например, Voisin имел тандемную подъемную схему (основное крыло и заднее крыло) с носовой частью, которая не была ни стабилизирующей, ни в основном подъемной; его называли « équilibreur » («балансир»), [11] и используется в качестве поверхности управления по тангажу и триммирования.
Самолет «Утка»
[ редактировать ]
В конфигурации «утка» небольшое крыло или носовая часть перед основным крылом расположено . Некоторые авторы называют его стабилизатором. [12] [13] [14] [15] или придать одному только носовой части стабилизирующую роль, [16] хотя, что касается устойчивости по тангажу , носовую часть обычно называют дестабилизирующей поверхностью, [17] основное крыло, обеспечивающее стабилизирующий момент по тангажу. [18] [19] [20]
В естественно нестабильных самолетах поверхности «утка» могут использоваться как активная часть системы искусственной устойчивости, и их иногда называют горизонтальными стабилизаторами. [21]
Бесхвостый самолет
[ редактировать ]
У бесхвостых самолетов отсутствует отдельный горизонтальный стабилизатор. У бесхвостого самолета горизонтальная стабилизирующая поверхность является частью основного крыла. [22] [23] Продольная устойчивость бесхвостых самолетов достигается за счет конструкции самолета таким образом, чтобы его аэродинамический центр находился позади центра тяжести. Обычно это делается путем изменения конструкции крыла, например, путем изменения угла падения в направлении размаха ( размытие или скручивание крыла ) или путем использования аэродинамических профилей с изогнутым изгибом .
Вертикальные стабилизаторы
[ редактировать ]Вертикальный стабилизатор обеспечивает курсовую устойчивость (или рысканье ) и обычно состоит из неподвижного киля и подвижного руля направления, шарнирно прикрепленного к его задней кромке. [24] Реже шарнир отсутствует, и вся поверхность плавника поворачивается для обеспечения устойчивости и контроля. [25]
Когда самолет сталкивается с горизонтальным порывом ветра, устойчивость по рысканью заставляет самолет разворачиваться против ветра, а не в том же направлении. [26]
Геометрия фюзеляжа, мотогондолы и вращающиеся пропеллеры влияют на боковую статическую устойчивость и требуемый размер стабилизатора. [27]
Не все самолеты имеют вертикальный стабилизатор. Вместо этого стреловидность крыла и двугранность могут обеспечить аналогичную степень курсовой устойчивости, в то время как управление курсом часто осуществляется за счет увеличения сопротивления той стороны самолета, к которой самолет должен быть повернут, либо в форме интерцепторов, либо в виде разделенных элеронов.
Бесхвостая курсовая стабилизация и управление
[ редактировать ]Хотя использование вертикального стабилизатора является наиболее распространенным, можно получить курсовую устойчивость и без отдельного вертикального стабилизатора. Это происходит, когда крыло отведено назад , и в некоторых случаях, как, например, в крыле Рогалло , часто используемом для дельтапланов , означает, что плавник не нужен.
- Стабилизация. Когда стреловидное крыло вращается по рысканью, стреловидность внешнего крыла уменьшается, что увеличивает сопротивление, а стреловидность внутреннего крыла увеличивается, уменьшая сопротивление. Это изменение распределения сопротивления создает восстанавливающий момент.
- Контроль. Один из способов добиться контроля над рысканьем — использовать дифференциальное пневматическое торможение, чтобы напрямую влиять на сопротивление. Этот метод подходит для электронного управления полетом , как на летающем крыле Northrop Grumman B-2 . [28]
Комбинированные продольно-направленные стабилизаторы
[ редактировать ]
На некоторых самолетах горизонтальный и вертикальный стабилизаторы объединены в пару поверхностей, получивших название V-tail . При такой компоновке два стабилизатора (кили и рули направления) установлены под углом 90–120° друг к другу. [примечание 1] обеспечивающая большую горизонтальную проекционную площадь, чем вертикальную, как в большинстве обычных хвостовых оперений. Подвижные поверхности управления тогда называются рулями направления . [29] [примечание 2] Таким образом, V-образное хвостовое оперение действует как стабилизатор рыскания и стабилизатора тангажа.
Хотя может показаться, что конфигурация V-образного хвостового оперения может привести к значительному уменьшению смоченной площади хвостового оперения , она страдает увеличением сложности управления и срабатывания, [29] а также сложное и вредное аэродинамическое взаимодействие между двумя поверхностями. [30] Это часто приводит к увеличению общей площади, что уменьшает или сводит на нет первоначальную выгоду. [29] Легкий самолет Beechcraft Bonanza изначально проектировался с V-образным хвостовым оперением.
Существуют и другие комбинированные планировки. Беспилотный самолет General Atomics MQ-1 Predator имеет перевернутое V-образное хвостовое оперение . Хвостовое оперение Lockheed XFV можно было бы описать как V-образное хвостовое оперение с поверхностями, проходящими через фюзеляж к противоположной стороне. LearAvia Lear Fan имел Y-образное хвостовое оперение . Все сдвоенные хвостовые оперения с двугранным углом оперения будут обеспечивать сочетание продольной и путевой стабилизации.
Примечания
[ редактировать ]- ^ F-117 Nighthawk , 90° – Фуга Магистр , 105° – Бук Бонанза , 116°
- ^ Чемодан из руля направления и руля высоты.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Оперение — Д. Стинтон. Конструкция самолета , Продольная устойчивость — Гидродинамическая подъемная сила Хёрнера — Илан Кроо, Проектирование самолетов . В вопросах устойчивости (размеры хвостового оперения, площадь хвостового оперения, коэффициент объема стабилизатора) авторы всегда имеют дело со всем узлом, включая рули высоты. Термины «горизонтальный хвост» или «хвост» обычно используются вместо термина «стабилизатор».
- ^ Роскам, Ян (2002). Дизайн самолета: Pt. 3 . Лоуренс: Корпорация DAR. п. 287. ИСБН 1-884885-56-Х . Проверено 30 июля 2015 г.
- ^ Дэролл Стинтон, Конструкция самолета , «Продольный баланс (дифферент)».
- ^ Филлипс, Уоррен Ф. (2010). «4.1 Основы статического равновесия и устойчивости». Механика полета (2-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Wiley & Sons. п. 377. ИСБН 978-0-470-53975-0 .
Когда органы управления установлены так, что результирующие силы и моменты вокруг центра тяжести равны нулю, говорят, что самолет находится в балансировке , что просто означает статическое равновесие.
- ^ WH Филлипс, Карьера в Исследовательском центре НАСА в Лэнгли , Глава 4, Летные качества
- ^ Филлипс, Уоррен Ф. (2010). «4.2 Устойчивость по тангажу изогнутого крыла». Механика полета (2-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Wiley & Sons. п. 381. ИСБН 978-0-470-53975-0 .
Чтобы самолет был статически устойчивым во вращении, любые нарушения крена, тангажа или рыскания должны привести к созданию восстанавливающего момента, который вернет самолет в исходное состояние равновесия.
- ^ Филлипс, Уоррен Ф. (2010). «4.3 Упрощенный анализ устойчивости по тангажу для комбинации крыло-хвост». Механика полета (2-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Wiley & Sons. п. 391. ИСБН 978-0-470-53975-0 .
- ^ Абзуг, Малкольм Дж.; Ларраби, Э. Юджин (23 сентября 2002 г.). Стабильность и управление самолетом: история технологий, сделавших авиацию возможной . Издательство Кембриджского университета. п. 78. ИСБН 978-1-107-32019-2 . Проверено 17 октября 2022 г.
Цельноподвижное оперение стало интересным... когда теория высоких чисел Маха и испытания в трансзвуковой аэродинамической трубе выявили плохую работу обычных органов управления закрылков.
- ^ Федеральный реестр . Управление Федерального реестра, Национальная служба архивов и документации, Управление общих служб. Июль 1978 г. с. 32404 . Проверено 18 октября 2022 г.
- ^ Жерар Хартманн (12 мая 2003 г.), «Les Hydros Farman» (PDF) , Исторические файлы и французская авиационная техника ,
передний стабилизатор будет снят в течение года («передний стабилизатор будет снят в течение года»)
- ^ Габриэль Вуазен, Mes 10 000 воздушных змеев (Мои 10 000 воздушных змеев), стр. 166: «и я собирался натянуть свой балансир... тогда он направил свой балансир в сторону подъема».
- ^ Гаррисон, П; « Компания Троих »; Flying 129 (12), декабрь 2002 г., стр. 85-86: «Стабилизатор спереди» ... «Это функция стабилизатора. Если он сзади, он обычно толкает вниз, а если спереди оно поднимается вверх».
- ^ Бенсон, Т (Эд): «Части и функции самолета» , Руководство для начинающих по аэронавтике , Исследовательский центр Гленна НАСА,
На первом самолете брата Райта горизонтальный стабилизатор располагался перед крыльями.
- ^ Патент США US 6064923 A , Самолет с уменьшенной нагрузкой на конструкцию крыла : «... передний стабилизатор, обычно известный как стабилизатор «утка»,»
- ^ «Части самолета» , Руководство для начинающих по аэронавтике , Исследовательский центр Гленна НАСА.
- ^ Горизонтальный стабилизатор-руль высоты , НАСА,
На некоторых самолетах устойчивость и управление по тангажу обеспечивается горизонтальной поверхностью, расположенной впереди центра тяжести.
- ^ например, в AIR International, май 1999 г., стр. 311, Хёрнер и Борст, Fluid Dynamic Lift , стр. 11-29 и стр. 11-33 Delta Canard , NASA TM 88354, Взгляд на управляемость конфигураций «утка» , стр. 11-33. 14 и Кунду, «Проектирование самолетов» , стр. 92,
- ^ Филлипс, Уоррен Ф. (2010). «4.6 Упрощенный анализ устойчивости по тангажу для комбинации крыло-утка». Механика полета (2-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Wiley & Sons. п. 425. ИСБН 978-0-470-53975-0 .
…именно основное крыло, а не утка, обеспечивает устойчивость конфигурации крыло-утка.
- ^ AIAA/AHS/ASEE Совещание по проектированию, системам и эксплуатации самолетов: ... - Том 2 - Страница 309, «Результаты по тангажному моменту показывают стабилизирующий эффект крыла и дестабилизирующий эффект утки».
- ^ Ф. Х. Николс, Влияние вертикального расположения крыла и вертикального расположения хвостового оперения на характеристики устойчивости конфигураций самолетов Canard , стр. 9, «Фело также создает существенный дестабилизирующий компонент, который адекватно уравновешивается большим стабилизирующим эффектом крыла».
- ↑ Х-29... при этом его утки — горизонтальные стабилизаторы для управления тангажем — находились в передней части крыльев, а не в хвостовом оперении» [1]
- ^ Теория и практика использования летающих крыльев, компонентов апогея
- ^ Заметки об устойчивости и управлении бесхвостыми самолетами, Джонс, Роберт, naca-tn-837, 1941 г.
- ^ Дэролл Стинтон , Конструкция самолета , боковая и путевая устойчивость и вращение.
- ^ Барнард, Р.Х.; Филпотт, Д.Р. (2010). «10. Управление самолетом». Полет самолета (4-е изд.). Харлоу, Англия: Прентис Холл. п. 271 . ISBN 978-0-273-73098-9 .
- ^ Барбер, Горацио , «Глава II — Стабильность и контроль» , «Самолет говорит » , Центр электронных текстов, Библиотека Университета Вирджинии
- ^ Филлипс, Уоррен Ф. (2010). «5. Боковая статическая устойчивость и дифферент». Механика полета (2-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-53975-0 .
- ^ Свитман, Билл (2005). Локхид Стелс . Норт-Бранч, Миннесота: Zenith Imprint. п. 73. ИСБН 0-7603-1940-5 .
- ^ Jump up to: а б с Реймер, Дэниел П. (1999). «4.5 Геометрия и расположение хвостового оперения». Проектирование самолетов: концептуальный подход (3-е изд.). Рестон, Вирджиния: Американский институт аэронавтики и астронавтики. п. 78 . ISBN 1-56347-281-3 .
- ^ Филлипс, Уоррен Ф. (2010). «5.5 Влияние двугранного угла хвоста на устойчивость рыскания». Механика полета (2-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Wiley & Sons. п. 533. ИСБН 978-0-470-53975-0 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Терминология, связанная с самолетами
- Талай, Теодор А. (27 января 2005 г.). «Введение в аэродинамику полета – устойчивость и управление» . Отдел истории НАСА . Исследовательский центр Лэнгли . Проверено 21 апреля 2013 г.
- «Динамическая продольная, курсовая и поперечная устойчивость» , «Столетие полета» , Комиссия по столетию полета США.