КАК УСТРОЕН САМОЛЕТ: ОПЕРЕНИЕ
Объединенная авиастроительная корпорацияОчередной материал из серии «Как устроен самолет» посвящен оперению. Об этом сравнительно небольшом агрегате воздушного судна рассказал инженер-конструктор 1 категории отдела оперения ПАО «Ил» Иван Уткин.
Как пишут в учебниках, оперение — это аэродинамические поверхности, предназначенные для обеспечения устойчивости и управляемости самолета в полете. В общем случае оно состоит из вертикального оперения с рулем направления, обеспечивающего путевую устойчивость и управляемость самолёта, и горизонтального оперения с рулем высоты, обеспечивающего продольную устойчивость и управляемость, а также продольную балансировку самолёта.
А теперь - подробнее.
Функции оперения
Устойчивостью называется способность самолёта без участия лётчика противостоять кратковременным внешним силам (восходящий поток воздуха, порыв ветра и т.д.), стремящимся отклонить его от заданного направления полёта. Управляемость – это способность самолёта совершать маневры в результате отклонения лётчиком рулевых поверхностей.
Вертикальное оперение, или киль, как и написано выше, предназначается для обеспечения путевой устойчивости, т.е. способности самолёта, если смотреть на него сверху, сохранять прямолинейное движение без участия летчика. Для обеспечения путевой управляемости используется руль направления – отклоняемая аэродинамическая поверхность, расположенная на киле. Руль направления отклоняется педалями в кабине лётчика и предназначен для незначительной корректировки курса самолёта. Для более интенсивного разворота применяется совместное действие элеронов (о которых вы можете прочитать в уже вышедшей статье из цикла «Как устроен самолёт: крыло», посвящённой крылу и механизации крыла) и руля высоты.
Горизонтальное оперение обеспечивает продольную балансировку самолёта. Горизонтальное оперение самолётов нормальной балансировочной схемы (о балансировочных схемах написано ниже), также называемое стабилизатором, предназначается ещё и для обеспечения продольной устойчивости, т.е. способности самолёта самостоятельно сохранять направление движения, если смотреть сбоку. На горизонтальном оперении располагаются рули высоты (как правило их пара, левый и правый, но отклоняются они синхронно и в одном направлении) – отклоняемые аэродинамические поверхности, предназначенные для обеспечения продольной управляемости и участвующие в балансировке самолёта в процессе полёта. Руль высоты отклоняется движением ручки управления самолётом (или штурвала) в плоскости «на себя (чтобы задрать нос самолёта вверх относительно горизонта и начать набор высоты, так называемое кабрирование) – от себя (чтобы опустить нос и начать снижение, так называемое пикирование)»
Размеры и форма агрегатов оперения определяются скоростью самолета и силами, необходимыми для обеспечения устойчивости и управляемости. По статистике площадь оперения составляет 15-30% от площади крыла для горизонтального и 8-20% от площади крыла для вертикального оперения. Еще, как правило, оперение имеет больший угол стреловидности по передней кромке и меньшую относительную толщину, чем крыло. Делается это для сохранения эффективной работы оперения вообще и рулей в частности в большем, относительно крыла, диапазоне скоростей с целью сохранения возможности управлять самолетом в ситуациях, когда на крыле происходит потеря подъемной силы (так называемый «волновой кризис»).
В отличие от крыла и фюзеляжа, оперение до сих пор проявляет удивительное разнообразие форм и мест своего расположения, образуя несколько видов так называемых балансировочных схем. Но прежде, чем рассмотреть балансировочные схемы, необходимо коротко рассказать о самой балансировке.
На виде сбоку летящий параллельно земле самолёт можно представить как бы подвешенным на нити, привязанной к крылу в точке приложения подъёмной силы крыла (так называемый центр давления).
У большинства самолётов передняя часть тяжелее задней, т.е. центр масс (центр тяжести) располагается перед центром давления крыла, и наш болтающийся на нитке макет стремится опустить нос вниз (и, соответственно, поднять хвост), что для летящего самолёта, если у него нет горизонтального оперения (или чего-то, его заменяющего), привело бы к падению самолета.
Чтобы этого не произошло, и наш макет сохранил горизонтальное положение нужно или подтолкнуть вверх нос (поставить в носу самолёта горизонтальное оперение и создать силу, направленную вверх), или придержать хвост (поставить горизонтальное оперение на хвосте и создать силу, направленную вниз). Этот процесс уравновешивания самолёта для сохранения горизонтального полёта и называется продольная балансировка. А теперь рассмотрим схемы более подробно.
Балансировочные схемы и конфигурация оперения
Нормальная схема (также называемая «классическая»). Название снова говорит само за себя, нестареющая классика: крыло спереди, а хвост, т.е. оперение, как вертикальное, так и горизонтальное – сзади. Горизонтальное оперение самолёта, сделанного по нормальной балансировочной схеме, называется стабилизатором. Основным недостатком этой схемы являются потери подъёмной силы на продольную балансировку.
Самая распространенная балансировочная схема, примеры – почти любой существовавший или существующий самолет.
Также есть самолеты, например, Су-30, имеющие при нормальной аэродинамической схеме дополнительное горизонтальное оперение перед крылом.
«Утка». Балансировочная схема с расположенным перед крылом горизонтальным оперением (ПГО, переднее горизонтальное оперение, иногда называемое «дестабилизатор»).
Не самая распространенная, но вместе с тем исторически самая первая реально работающая балансировочная схема: именно по ней был построен знаменитый самолет братьев Райт, Flyer 1. Главный плюс схемы – отсутствие потери подъемной силы для продольной балансировки. Из минусов – несколько худшее обтекание крыла из-за возмущения воздушного потока расположенным спереди горизонтальным оперением, и склонность самолета к «клевку» (при срыве потока при активном использовании рулей высоты и потере подъемной силы на ПГО самолет резко «опускает нос», переходя в пикирование, что крайне опасно на взлете или посадке). Из-за своих недостатков до появления вычислительных машин и автоматизации системы управления данная балансировочная схема практически не встречалась на серийных самолетах. Сейчас применяется преимущественно на истребителях.
Примеры: бизнес-самолет Beech 2000 "Starship" (назвать его «бизнес-джет» нельзя, т.к двигатели на нем стоят турбовинтовые, а не реактивные, несмотря на всю внешнюю футуристичность), шведский истребитель Saab JAS 39 Gripen, китайский истребитель 5 поколения J-20.
«С названием этой балансировочной схемы связан курьёзный факт: все птицы, в том числе и утки, с точки зрения аэродинамики выполнены по нормальной схеме», – отмечает Иван Уткин.
Бесхвостка. Крыло есть. Фюзеляж есть. Киль есть. Стабилизатора (горизонтальное оперение) – нет.
Отказ от горизонтального оперения с одной стороны позволил уменьшить относительную массу планера, но с другой – возникли проблемы с продольной балансировкой из-за малого плеча между управляющими поверхностями (так называемыми элевонами, расположенными на задней кромке крыла и совмещающими функции руля высоты и элеронов) и центром масс самолёта. Подобная балансировочная схема при использовании крыла, близкого по форме к треугольному и малого удлинения, применялась в самолетах, рассчитанных на продолжительный полет на сверхзвуковых скоростях, таких как Ту-144 (во время крейсерского полета) и Concorde. Также по данной схеме были построены французские истребители семейства Dassault Mirage.
Летающее крыло. Бесхвостка, возведенная в абсолют. Название говорит само за себя: фюзеляж укоротился и слился с центропланом, оперение исчезло совсем, либо имеется несколько небольших килей. К еще больше возросшим проблемам с продольной устойчивостью добавились проблемы с курсовой. Зато полностью исчезли элементы планера, не создающие подъемную силу, что, в теории, должно уменьшать относительную массу планера. Также, используя данную балансировочную схему, проще добиться снижения радиолокационной заметности самолета. Примеры: четырех/восьмимоторный американский экспериментальный бомбардировщик родом из конца 40х XB-35/YB-49 и чудовищно дорогой американский же B-2 Spirit.
В наиболее распространенной, нормальной балансировочной схеме также имеется некоторое разнообразие взаимного расположения вертикального и горизонтального оперения.
Нормальное оперение (иногда встречается термин «палубное оперение»): снова вариант компоновки «по умолчанию»: вертикальный киль и горизонтальный стабилизатор установлены на фюзеляже, в хвостовой части. Распространено на всех типах самолетов. На некоторых истребителях встречается вариант с двумя килями.
Т-образное оперение. Киль установлен на фюзеляже, стабилизатор – в верхней части киля. За счет расположения стабилизатора, играющего для киля роль так называемой концевой шайбы, эффективность киля в этой схеме больше. Также растет эффективность горизонтального оперения за счет увеличения плеча (стабилизатор смещается дальше назад относительно центра масс). С другой стороны, увеличивается нагрузка на киль и хвостовую часть фюзеляжа, что может приводить к большему весу Т-образного оперения относительно нормального. Применяется на пассажирских и транспортных самолетах с крылом, расположенным в верхней части фюзеляжа (с целью не допустить «затенения» горизонтального оперения крылом), либо с двигателями в хвостовой части фюзеляжа (по компоновочным соображениям).
Двухкилевое с килями, расположенными на концах стабилизатора. Редкий, но все еще встречающийся вариант схемы оперения. Кили в данном случае играют роль концевых шайб для стабилизатора, чем увеличивают его эффективность ценой роста нагрузки на стабилизатор и увеличения его веса. Исторически широко применялась на бомбардировщиках времен расцвета поршневой авиации (Пе-2, Avro Lancaster и др.) в основном для обеспечения возможности стрельбы оборонительного вооружения в заднюю полусферу. Так как данная схема также позволяет значительно снизить нагрузку на фюзеляж от крутящего момента, создаваемого вертикальным оперением, её применение целесообразно на самолётах с рампой (крупной створкой грузового люка, опускающейся на поверхность земли и выполняющей роль трапа) в хвостовой части фюзеляжа (пример: Ан-22 «Антей»). Из сравнительно новых самолетов применяется на штурмовике Fairchild Republic A-10 и многоцелевом самолете Ан-28.
V-образное оперение. Состоит из двух симметричных плоскостей с установленными на них рулями, выполняющих функции вертикального и горизонтального оперения одновременно, из-за чего чисто механическая система управления такого оперения имеет крайне сложную кинематику. По этой причине подобное оперение применяется сравнительно недавно, в основном на БПЛА.
Прочие редкие, либо уже не применяемые схемы оперения
Рули
Рулями называются отклоняемые аэродинамические поверхности, представленные рулем направления и рулем высоты. Руль направления располагается на вертикальном оперении и служит для обеспечения путевой управляемости, руль высоты - на горизонтальном оперении и служит для обеспечения продольной балансировки и управляемости. Рули занимают почти всю заднюю кромку соответствующего агрегата оперения, могут иметь триммеры или сервокомпенсаторы для уменьшения усилий на органах управления (о них подробнее можно почитать в статье о крыле и механизации крыла), а на крупных самолетах – состоять из нескольких секций.
В случае, если эффективности рулей высоты на взлетно-посадочных режимах не хватает, либо во время полета может сильно измениться центровка самолета (например, из-за десантирования груза), что чаще всего случается у крупных транспортных и пассажирских самолетов, горизонтальное оперение конструктивно выполняется отклоняемым, с шарнирным узлом крепления в задней части и винтовым механизмом - в передней (так называемый «переставной стабилизатор»).
«Характерная конструкция переставного стабилизатора Т-образного оперения является одним из отличительных признаков самолётов отечественной и западной конструкторских школ: на наших самолётах (Ил-62, Ил-76, Ту-154) к стабилизатору крепится обтекатель веретенообразной формы, который двигается вместе со стабилизатором при его повороте, на западных машинах (Boeing 727, Boeing C-17, Airbus A-400, Bombardier CRJ) такого обтекателя нет», – отметил Иван Уткин.
Также, из-за того, что во время полета на сверхзвуковых скоростях центр давления крыла смещается назад и одновременно с этим эффективность рулей сильно снижается, для обеспечения управляемости и возможности продольной балансировки современные истребители и бомбардировщики имеют цельноповоротное горизонтальное (а иногда и вертикальное) оперение, без отдельно отклоняемых рулевых поверхностей.
Дополнительные и нетрадиционные варианты использования оперения
В киле может размещаться топливный бак (Ил-62М), через киль может проходить воздухозаборник расположенного в хвостовой части фюзеляжа двигателя (Ту-154, Як-42), а то и размещаться весь двигатель целиком (McDonnell Douglas DC-10, MD-11), на оперении пассажирских и транспортных самолетов устанавливаются различные антенны, вплоть до огромной «тарелки» дальнего радиолокационного обнаружения на опытном самолете ДРЛО Ан-71.
Конструкция агрегатов оперения
Что логично, по своей конструкции агрегаты оперения представляют из себя «крыло в миниатюре»: точно также силовой каркас киля, стабилизатора и рулей состоит из продольного (лонжероны, стрингеры) и поперечного (нервюры) набора элементов, и обшивки.
Стоит отметить тенденцию к изготовлению элементов оперения, в частности рулей, из ПКМ (полимерных композитных материалов).
Исторически отличающиеся практичностью и здравым консерватизмом, самолеты КБ Ильюшина всегда строились по нормальной аэродинамической схеме с оперением палубного либо Т-образного типа, и, за исключением вышеупомянутого топливного бака в киле Ил-62М, ничем необычным в плане оперения не выделялись.
КАК УСТРОЕН САМОЛЕТ: БОРТОВОЙ КОМПЛЕКС